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Dec 18, 2023

Imaging di correlazione coerente per la risoluzione degli stati fluttuanti della materia

Nature volume 614, pagine 256–261 (2023) Cita questo articolo 7533 Accessi 1 Citazioni 144 Dettagli metriche alternative Una correzione dell'autore a questo articolo è stata pubblicata il 24 maggio 2023 Questo articolo è stato

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Fluttuazioni e transizioni stocastiche sono onnipresenti nei sistemi su scala nanometrica, soprattutto in presenza di disordine. Tuttavia, la loro osservazione diretta è stata finora ostacolata da un compromesso apparentemente fondamentale e limitato dal segnale tra risoluzione spaziale e temporale. Qui sviluppiamo l'imaging di correlazione coerente (CCI) per superare questo dilemma. Il nostro metodo inizia classificando i fotogrammi registrati dalla telecamera nello spazio di Fourier. Il contrasto e la risoluzione spaziale emergono calcolando la media selettivamente su fotogrammi dello stesso stato. La risoluzione temporale fino al tempo di acquisizione di un singolo fotogramma deriva indipendentemente da un tasso di classificazione errata eccezionalmente basso, che otteniamo combinando una metrica di somiglianza basata sulla correlazione1,2 con un algoritmo di clustering gerarchico modificato e iterativo3,4. Applichiamo la CCI per studiare fluttuazioni magnetiche precedentemente inaccessibili in uno stato di dominio della banda magnetica altamente degenerato con risoluzione su scala nanometrica. Scopriamo un'intricata rete di transizioni tra più di 30 stati discreti. I nostri dati spaziotemporali ci permettono di ricostruire il panorama energetico di riferimento e di spiegare così le dinamiche osservate a livello microscopico. La CCI espande enormemente il potenziale delle sorgenti di raggi X emergenti ad alta coerenza e apre la strada per affrontare grandi questioni fondamentali come il contributo del pinning5,6,7,8 e della topologia9,10,11,12 nelle transizioni di fase e il ruolo di fluttuazioni dell'ordine di spin e carica nella superconduttività ad alta temperatura13,14.

La difficoltà nell'imaging di processi stocastici risale a un dilemma concettuale: per ottenere una risoluzione spaziotemporale, sia gli approcci di imaging a campo pieno che quelli a scansione devono distribuire il segnale rilevato su migliaia di pixel. Pertanto, migliore è la risoluzione spaziale mirata, maggiore è il segnale necessario. Ma il numero di interazioni campione-sonda per volume e tempo è limitato, non solo a causa dei vincoli della sorgente, dell'ottica e del rivelatore, ma in ultima analisi a causa di perturbazioni del campione come riscaldamento, deformazione, eccitazioni elettroniche, sbiancamento del contrasto e persino distruzione del campione15,16 . Un'elevata risoluzione spaziale richiede pertanto un'estesa media temporale del segnale. Se, per mancanza di conoscenze migliori, questa media è indiscriminata, ciò porta ad una perdita di risoluzione temporale e ad immagini sfocate in termini di movimento. In determinate condizioni, è possibile recuperare le "modalità" spaziotemporali caratteristiche di un sistema dinamico oltre questo limite di risoluzione temporale convenzionale. Tuttavia, la scomposizione della modalità migliora solo il rapporto segnale-rumore delle modalità che si ripetono nel tempo17,18; la rimozione del rumore dai segnali temporali irregolari esula dal suo ambito18. In alternativa, la pitcografia a stati misti può essere utilizzata per ricostruire immagini statiche degli stati più visitati entro il periodo di tempo medio19. In ogni caso, se la sequenza reale degli eventi è interessante, il compromesso tra risoluzione spaziale e temporale sembra essere fondamentale.

CCI supera questo limite. L’idea chiave è quella di registrare istantanee di modelli di scattering coerenti nello spazio di Fourier come dati grezzi e di sfruttarli anche con un basso numero di fotoni – dove l’imaging non è possibile – ogni modello di scattering contiene impronte digitali macchioline dello stato del sistema nello spazio reale. Combinando gli sviluppi nella spettroscopia di correlazione fotonica, nella tomografia delle nanoparticelle1,2 e nella ricerca sul genoma3, utilizziamo questa sensibilità per classificare accuratamente lo stato di ogni istantanea, e quindi i timestamp di ciascuno stato, in una sequenza di migliaia di fotogrammi. La risoluzione spaziale deriva indipendentemente dalla media informata dei modelli di scattering dello stesso stato, che qui convertiamo in immagini dello spazio reale mediante il recupero di fase assistito olograficamente (vedi Metodi). CCI ci consente di scoprire ricche dinamiche di fluttuazione in un materiale magnetico altrimenti ben esplorato, il che illustra l’ampiezza della fisica inaspettata nascosta negli stati fluttuanti della materia ed evidenzia il potere di CCI nell’esplorazione di questo territorio.