Блог

Mar 09, 2024

Когерентная корреляционная визуализация для определения флуктуирующих состояний материи

Nature, том 614, страницы 256–261 (2023 г.) Цитировать эту статью 7706 Доступов 1 Цитирований 144 Подробности об альтметрических метриках Автор Исправление к этой статье было опубликовано 24 мая 2023 г. Эта статья была опубликована

Nature, том 614, страницы 256–261 (2023 г.) Процитировать эту статью

7706 Доступов

1 Цитаты

144 Альтметрика

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье была опубликована 24 мая 2023 г.

Эта статья обновлена

Флуктуации и стохастические переходы повсеместно распространены в системах нанометрового масштаба, особенно при наличии беспорядка. Однако их прямому наблюдению до сих пор препятствует, казалось бы, фундаментальный компромисс между пространственным и временным разрешением, ограниченный сигналом. Здесь мы разрабатываем когерентную корреляционную визуализацию (CCI), чтобы преодолеть эту дилемму. Наш метод начинается с классификации записанных кадров камеры в пространстве Фурье. Контраст и пространственное разрешение возникают путем выборочного усреднения по кадрам с одним и тем же состоянием. Временное разрешение вплоть до времени получения одного кадра возникает независимо от исключительно низкого уровня ошибочной классификации, которого мы достигаем путем объединения метрики сходства на основе корреляции1,2 с модифицированным итеративным алгоритмом иерархической кластеризации3,4. Мы применяем CCI для изучения ранее недоступных магнитных флуктуаций в сильно вырожденном состоянии домена магнитной полосы с разрешением нанометрового масштаба. Мы раскрываем сложную сеть переходов между более чем 30 дискретными состояниями. Наши пространственно-временные данные позволяют нам реконструировать энергетический ландшафт пиннинга и тем самым объяснить динамику, наблюдаемую на микроскопическом уровне. CCI значительно расширяет потенциал новых источников рентгеновского излучения с высокой когерентностью и открывает путь для решения больших фундаментальных вопросов, таких как вклад пиннинга5,6,7,8 и топологии9,10,11,12 в фазовые переходы и роль флуктуации спинового и зарядового порядка в высокотемпературной сверхпроводимости13,14.

Трудность визуализации стохастических процессов связана с концептуальной дилеммой: для достижения пространственно-временного разрешения подходы как к полноэкранному, так и к сканирующему изображению должны распределять обнаруженный сигнал по тысячам пикселей. Таким образом, чем лучше заданное пространственное разрешение, тем больший размер сигнала требуется. Но количество взаимодействий образец-зонд на объем и время ограничено – не только из-за ограничений источника, оптики и детектора, но, в конечном итоге, из-за возмущений образца, таких как нагрев, деформация, электронные возбуждения, контрастное обесцвечивание и даже разрушение образца15,16 . Поэтому высокое пространственное разрешение требует обширного временного усреднения сигнала. Если из-за отсутствия лучших знаний такое усреднение неизбирательное, оно приводит к потере временного разрешения и к размытым изображениям. При определенных условиях можно восстановить характерные пространственно-временные «режимы» динамической системы за пределами этого обычного временного предела разрешения. Однако разложение мод только увеличивает соотношение сигнал/шум для мод, которые повторяются во времени17,18; шумоподавление нерегулярных временных сигналов выходит за рамки этой задачи18. В качестве альтернативы можно использовать птихографию смешанных состояний для восстановления статических изображений наиболее посещаемых штатов в течение периода усреднения19. В любом случае, если реальная последовательность событий представляет интерес, компромисс между пространственным и временным разрешением представляется фундаментальным.

CCI преодолевает этот предел. Ключевая идея состоит в том, чтобы записывать снимки моделей когерентного рассеяния в пространстве Фурье в качестве необработанных данных и использовать это, даже при небольшом количестве фотонов — когда визуализация невозможна — каждая картина рассеяния содержит спекл-отпечатки состояния системы в реальном пространстве. Объединив разработки в области фотонно-корреляционной спектроскопии, томографии наночастиц1,2 и исследований генома3, мы используем эту чувствительность для точной классификации состояния каждого снимка и, следовательно, временных меток каждого состояния в последовательности из тысяч кадров. Пространственное разрешение возникает независимо от информированного среднего значений картин рассеяния в одном и том же состоянии, которые мы здесь преобразуем в изображения реального пространства посредством восстановления фазы с помощью голографии (см. «Методы»). CCI позволяет нам обнаружить богатую динамику колебаний в хорошо изученном магнитном материале, что иллюстрирует широту неожиданной физики, скрытой во флуктуирующих состояниях материи, и подчеркивает силу CCI в исследовании этой территории.