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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.
Sobre um íman com apenas algumas camadas atómicas, um sensor de diamante regista um mapa do campo magnético, e o próprio íman permanece invisível. Foi este o problema que uma equipa da Universidade de Viena se propôs resolver. Os microscópios modernos medem o campo no exterior do material, e não o padrão no seu interior, e muitos padrões internos diferentes podem produzir o mesmo campo externo. Deduzir a estrutura a partir do exterior tem sido há muito um desafio. Num estudo publicado na Physical Review Letters, o grupo de Viena, com colegas de Dresden, Singapura e Ulsan, descreve um método que reconstrói a estrutura oculta e calcula também a distância ao sensor.
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.
O truque é deixar de adivinhar. A equipa, liderada por Claas Abert, combina a aprendizagem automática com as leis do magnetismo. O algoritmo avalia possíveis padrões magnéticos e mantém aquele que minimiza a energia física do material enquanto corresponde ao campo medido. «Deixamos que a energia física do íman decida qual é a solução realista», afirma Abert. Os padrões que violam leis físicas básicas são excluídos automaticamente. A mesma lógica aplica-se à altura do sensor. Os campos magnéticos enfraquecem rapidamente com a distância, pelo que um pequeno erro nessa altura distorce o padrão reconstruído. O software resolve, por isso, o padrão e a altura em simultâneo, e encontra uma distância de 81 nanómetros.
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.'
O método foi testado com medições feitas no Instituto Max Planck de Física Química dos Sólidos, em Dresden. As amostras, de um íman ultrafino chamado Fe₃₋ₓGaTe₂, foram sintetizadas na Universidade Nacional de Singapura. O sensor era um dispositivo de diamante baseado num defeito atómico conhecido como centro de vacância de azoto, situado a algumas dezenas de nanómetros acima da camada magnética. «Nas experiências, a altura exata do sensor costuma ser desconhecida», afirma Uri Vool, líder de grupo em Dresden. «Extrair a distância diretamente da medição magnética elimina uma importante fonte de erro.»
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.
Para os investigadores de materiais, o ganho imediato é um mapa mais fiável, obtido sem conhecer previamente a altura do sensor. A abordagem assenta na energia do estado magnético e não no próprio sensor de diamante, pelo que a equipa considera que o mesmo princípio pode ser adaptado a outras técnicas de imagem magnética. O cálculo da energia usa o NeuralMag, um pacote de micromagnetismo de código aberto desenvolvido em Viena, e o código de reconstrução também está disponível gratuitamente. Setescak espera que outros laboratórios apliquem a estrutura às suas próprias medições. A equipa já prepara o passo seguinte, alargar a abordagem à imagiologia tridimensional por raios X de nanoestruturas magnéticas complexas. O estudo não avança qualquer calendário para utilização industrial.
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.
Os limites são claros. Os resultados provêm de medições laboratoriais feitas num único tipo de íman ultrafino e com um tipo de sensor. O estudo não demonstra um dispositivo em funcionamento, e os objetivos referidos, computadores mais rápidos e armazenamento de dados, continuam a ser metas. O que o trabalho muda é a fiabilidade do mapa que os cientistas usam para conceber esses materiais, e o seu valor dependerá de outros grupos o reproduzirem com as suas próprias medições.