科学家开发新技术来成像材料的波动
由柏林马克斯伯恩研究所和德国柏林亥姆霍兹中心以及布鲁克海文国家实验室和麻省理工学院的研究人员领导的一组科学家开发了一种革命性的新方法，用于捕获高分辨率图像使用强大的 X 射线源研究纳米级材料的波动。他们称之为相干相关成像 (CCI) 的技术允许创建清晰、详细的电影，而不会因过度辐射损坏样本。通过使用一种算法来检测曝光不足的图像中的图案，CCI 打开了通往以前无法访问的信息的路径。该团队在由薄磁性层制成的样品上展示了 CCI，其结果已发表在《自然》杂志上。
世界的微观领域一直在运动，并以不断变化为标志。即使在看似不变的固体材料中，这些波动也会产生不寻常的特性;一个例子是高温超导体中电流的无损传输。波动在相变过程中尤为明显，在相变过程中，材料会改变其状态，例如在熔化过程中从固体变为液体。科学家们还研究了非常不同的相变，例如从非导电到导电、非磁性到磁性以及晶体结构的变化。这些过程中有许多被用于技术，并且在生物体的功能中也起着至关重要的作用。
问题：太多的照明可能会损坏样品
然而，详细研究这些过程是一项艰巨的任务，捕捉这些波动模式的电影更具挑战性。这是因为波动发生得很快，并且发生在纳米尺度——百万分之一毫米。即使是最先进的高分辨率 X 射线和电子显微镜也无法捕捉到这种快速、随机的运动。这个问题从根本上说是根深蒂固的，这一摄影原理就是例证：为了捕捉物体的清晰图像，需要一定程度的照明。要放大物体，即“放大”，需要更多的照明。尝试以较短的曝光时间捕捉快速运动时，甚至需要更多的光线。最终，增加分辨率和减少曝光时间会导致物体被所需的照明损坏甚至破坏。这正是近年来科学所达到的地步：用自由电子激光器(当今可用的最强 X 射线源)拍摄的快照不可避免地导致了所研究样品的破坏。因此，捕捉这些由多个图像组成的随机过程的电影被认为是不可能的。
新方法：使用算法检测昏暗图片中的图案
一个国际科学家团队现在已经找到了解决这个问题的方法。他们解决问题的关键是认识到材料的波动模式通常不是完全随机的。通过关注样本的一小部分，研究人员观察到某些空间模式反复出现，但这些模式的确切时间和频率是不可预测的。
科学家们开发了一种称为相干相关成像的新型非破坏性成像方法(中央情报局)。为了制作电影，他们快速连续地为样本拍摄多张快照，同时将照明度降低到足以保持样本完好无损。然而，这会导致样本中的波动模式变得模糊的单个图像。尽管如此，图像仍然包含足够的信息来将它们分成几组。为实现这一目标，该团队首先必须创建一种新算法来分析图像之间的相关性，该方法因此得名。每个组内的快照非常相似，因此很可能源自相同的特定波动模式。只有当一起查看一组中的所有镜头时，才会出现样本的清晰图像。科学家们现在能够倒带胶卷，并将每张快照与当时样品状态的清晰图像相关联。
示例：拍摄磁性层中的“磁畴之舞”
科学家们创造了这种新方法来解决磁性领域的一个特定问题：薄铁磁层中出现的微观图案。这些层被划分为称为磁畴的区域，其中磁化指向上方或下方。现代硬盘驱动器中使用了类似的磁性薄膜，其中两种不同类型的域用“0”或“1”对位进行编码。直到现在，人们认为这些模式非常稳定。但这真的是真的吗?
为了回答这个问题，该团队使用新开发的 CCI 方法在纽约市附近长岛的国家同步加速器光源 II 研究了由这种磁性层组成的样本。事实上，这些图案在室温下保持不变。但在 37°C(98°F)的略微升高的温度下，磁畴开始不规律地来回移动，相互取代。科学家们观察了这种“磁域之舞”几个小时。随后，他们创建了一张地图，显示域之间边界的首选位置。这张地图和运动影片使人们更好地了解了材料中的磁相互作用，促进了未来在高级计算机体系结构中的应用。
X 射线源材料研究的新机遇
科学家们的下一个目标是在自由电子激光器(例如汉堡的欧洲 XFEL)上采用新颖的成像方法，以更深入地了解最小长度尺度上更快的过程。他们相信，这种方法将提高我们对波动和随机过程在现代材料特性中的作用的理解，并因此发现以更直接的方式利用它们的新方法。
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