L'IA legge gli schemi magnetici nascosti in magneti ultrasottili

Sopra un magnete spesso appena pochi strati atomici, un sensore di diamante registra una mappa del campo magnetico, mentre il magnete stesso resta invisibile. È il problema che un team dell'Università di Vienna si è proposto di risolvere. I microscopi moderni misurano il campo al di fuori del materiale, non la configurazione al suo interno, e molte configurazioni interne diverse possono produrre lo stesso campo esterno. Risalire all'indietro è da tempo una sfida. In uno studio pubblicato su Physical Review Letters, il gruppo di Vienna, con colleghi a Dresda, Singapore e Ulsan, descrive un metodo che ricostruisce la struttura nascosta e calcola anche la distanza dal sensore.

Il trucco è smettere di fare congetture. Il team, guidato da Claas Abert, combina l'apprendimento automatico con le leggi del magnetismo. L'algoritmo valuta le possibili configurazioni magnetiche e conserva quella che minimizza l'energia fisica del materiale pur corrispondendo al campo misurato. «Lasciamo che sia l'energia fisica del magnete a decidere quale soluzione sia realistica», afferma Abert. Le configurazioni che violano le leggi fisiche di base vengono escluse automaticamente. La stessa logica vale per l'altezza del sensore. I campi magnetici si indeboliscono rapidamente con la distanza, quindi un piccolo errore su quell'altezza distorce la struttura ricostruita. Il software calcola quindi configurazione e altezza nello stesso momento e trova una distanza di 81 nanometri.

Il metodo è stato testato su misure effettuate presso l'Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi, a Dresda. I campioni, di un magnete ultrasottile chiamato Fe₃₋ₓGaTe₂, sono stati sintetizzati alla Università nazionale di Singapore. Il sensore era un dispositivo di diamante basato su un difetto atomico noto come centro a vacanza di azoto, o centro NV, posto a decine di nanometri sopra lo strato magnetico. «Negli esperimenti, l'altezza esatta del sensore è di solito sconosciuta», spiega Uri Vool, responsabile del gruppo a Dresda. «Ricavare la distanza direttamente dalla misura magnetica elimina una fonte importante di errore».

Per i ricercatori di scienza dei materiali, il vantaggio immediato è una mappa più affidabile, ottenuta senza conoscere in anticipo l'altezza del sensore. L'approccio si basa sull'energia dello stato magnetico più che sul sensore di diamante in sé, quindi secondo il team lo stesso principio può essere adattato ad altre tecniche di imaging magnetico. Il calcolo energetico utilizza NeuralMag, un pacchetto micromagnetico open source sviluppato a Vienna, e anche il codice di ricostruzione è disponibile gratuitamente. Setescak auspica che altri laboratori applichino il metodo alle proprie misure. Il team sta già preparando il passo successivo, estendendo l'approccio all'imaging a raggi X tridimensionale di nanostrutture magnetiche complesse. Lo studio non indica tempi per un impiego industriale.

I limiti sono chiari. I risultati derivano da misure di laboratorio su un solo tipo di magnete ultrasottile e un solo tipo di sensore. Lo studio non dimostra un dispositivo funzionante, e gli obiettivi dichiarati, calcolatori più veloci e archiviazione dei dati, restano traguardi da raggiungere. Ciò che il lavoro cambia è l'affidabilità della mappa che gli scienziati usano per progettare questi materiali, e il suo valore dipenderà dal fatto che altri gruppi lo riproducano con le proprie misure.