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Above a magnet only a few atomic layers thick, a diamond sensor records a map of the magnetic field, and the magnet itself stays out of sight. That is the problem a team at the University of Vienna set out to solve. Modern microscopes measure the field outside the material, not the pattern inside it, and many different internal patterns can produce the same external field. Working backwards has long been a challenge. In a study published in Physical Review Letters, the Vienna group, with colleagues in Dresden, Singapore and Ulsan, reports a method that reconstructs the hidden structure and also finds the distance to the sensor.
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.
The trick is to stop guessing. The team, led by Claas Abert, combines machine learning with the laws of magnetism. The algorithm evaluates possible magnetic patterns and keeps the one that minimizes the material's physical energy while matching the measured field. 'We let the physical energy of the magnet decide which solution is realistic,' Abert says. Patterns that break basic physical laws are excluded automatically. The same logic applies to the sensor height. Magnetic fields weaken rapidly with distance, so a small error in that height distorts the reconstructed pattern. The software therefore solves for the pattern and the height at the same time, and finds a distance of 81 nanometers.
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.
The method was tested on measurements made at the Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Dresden. The samples, of an ultrathin magnet called Fe₃₋ₓGaTe₂, were synthesized at the National University of Singapore. The sensor was a diamond device based on an atomic defect known as a nitrogen-vacancy center, sitting tens of nanometers above the magnetic layer. 'In experiments, the exact sensor height is usually unknown,' says Uri Vool, group leader in Dresden. 'Extracting the distance directly from the magnetic measurement removes a major source of error.'
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».
For materials researchers, the immediate gain is a more reliable map, obtained without knowing the sensor height in advance. The approach relies on the energy of the magnetic state rather than on the diamond sensor itself, so the team says the same principle can be adapted to other magnetic imaging techniques. The energy calculation uses NeuralMag, an open-source micromagnetic package developed in Vienna, and the reconstruction code is also freely available. Setescak hopes other laboratories will apply the framework to their own measurements. The team is already preparing the next step, extending the approach to 3D X-ray imaging of complex magnetic nanostructures. The study gives no timeline for industrial use.
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.
The limits are clear. The results come from laboratory measurements on one type of ultrathin magnet and one kind of sensor. The study does not show a working device, and the stated goals, faster computers and data storage, remain targets. What the work changes is the reliability of the map scientists use to design those materials, and its value will depend on whether other groups reproduce it on their own measurements.
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.