Navorsers van NTNU werp lig op magnetiese materiale op klein skaal deur flieks te skep met behulp van 'n paar uiters helder X-strale.
Erik Folven, mede-direkteur van die oksied-elektronika-groep by NTNU se Departement Elektroniese Stelsels, en kollegas van NTNU en Gent Universiteit in België het begin om te sien hoe dunfilm-mikromagnete verander wanneer dit deur 'n buite-magnetiese veld versteur word.Die werk, gedeeltelik befonds deur NTNU Nano en die Navorsingsraad van Noorweë, is in die joernaal Physical Review Research gepubliseer.
Klein magnete
Einar Standal Digernes het die klein vierkantige magnete wat in die eksperimente gebruik is, uitgevind.
Die klein vierkantige magnete, geskep deur NTNU Ph.D.kandidaat Einar Standal Digernes, is net twee mikrometer breed en verdeel in vier driehoekige domeine, elk met 'n ander magnetiese oriëntasie wat kloksgewys of antikloksgewys om die magnete wys.
In sekere magnetiese materiale bind kleiner groepe atome saam in gebiede wat domeine genoem word, waarin al die elektrone dieselfde magnetiese oriëntasie het.
In die NTNU-magnete ontmoet hierdie domeine by 'n sentrale punt - die draaikolkkern - waar die magnetiese moment direk in of uit die vlak van die materiaal wys.
"Wanneer ons 'n magnetiese veld toepas, sal meer en meer van hierdie domeine in dieselfde rigting wys," sê Folven."Hulle kan groei en hulle kan krimp, en dan kan hulle saamsmelt in mekaar."
Elektrone amper teen die spoed van lig
Om dit te sien gebeur is nie maklik nie.Die navorsers het hul mikromagnete na 'n 80m-wye doughnut-vormige sinchrotron, bekend as BESSY II, in Berlyn geneem, waar elektrone versnel word totdat hulle teen amper die spoed van lig beweeg.Daardie vinnigbewegende elektrone straal dan uiters helder X-strale uit.
"Ons neem hierdie X-strale en gebruik dit as die lig in ons mikroskoop," sê Folven.
Omdat elektrone om die sinchrotron beweeg in trosse wat deur twee nanosekondes geskei word, kom die X-strale wat hulle uitstraal in presiese pulse.
'n Skandering-oordrag X-straalmikroskoop, of STXM, neem daardie X-strale om 'n momentopname van die materiaal se magnetiese struktuur te skep.Deur hierdie foto's saam te voeg, kan die navorsers in wese 'n fliek skep wat wys hoe die mikromagneet met verloop van tyd verander.
Met die hulp van die STXM het Folven en sy kollegas hul mikromagnete versteur met 'n stroompuls wat 'n magnetiese veld opgewek het, en gesien hoe die domeine van vorm verander en die draaikolkkern van die middel af beweeg.
"Jy het 'n baie klein magneet, en dan steek jy dit en probeer om dit te beeld soos dit weer gaan sit," sê hy.Daarna het hulle gesien hoe die kern terugkeer na die middel—maar langs ’n kronkelpaadjie, nie ’n reguit lyn nie.
"Dit sal soort van terug dans na die sentrum," sê Folven.
Een strokie en dit is verby
Dit is omdat hulle epitaksiale materiale bestudeer, wat bo-op 'n substraat geskep word wat navorsers toelaat om die eienskappe van die materiaal aan te pas, maar die X-strale in 'n STXM sal blokkeer.
Die navorsers het in NTNU NanoLab gewerk en die substraatprobleem opgelos deur hul mikromagneet onder 'n laag koolstof te begrawe om sy magnetiese eienskappe te beskerm.
Daarna het hulle die substraat daaronder versigtig en presies met 'n gefokusde straal galliumione weggekap totdat net 'n baie dun laag oorgebly het.Die moeisame proses kan agt uur per monster neem—en een glipsie kan rampspoed beteken.
"Die kritieke ding is dat, as jy die magnetisme doodmaak, ons dit nie sal weet voordat ons in Berlyn sit nie," sê hy."Die truuk is natuurlik om meer as een monster te bring."
Van fundamentele fisika tot toekomstige toestelle
Gelukkig het dit gewerk, en die span het hul noukeurig voorbereide monsters gebruik om te karteer hoe die mikromagneet se domeine met verloop van tyd groei en krimp.Hulle het ook rekenaarsimulasies geskep om beter te verstaan watter kragte aan die werk was.
Behalwe om ons kennis van fundamentele fisika te bevorder, kan dit nuttig wees om toekomstige toestelle te skep om te verstaan hoe magnetisme op hierdie lengte- en tydskale werk.
Magnetisme word reeds vir databerging gebruik, maar navorsers soek tans maniere om dit verder te ontgin.Die magnetiese oriëntasies van die draaikolkkern en domeine van 'n mikromagneet kan byvoorbeeld dalk gebruik word om inligting in die vorm van 0'e en 1'e te enkodeer.
Die navorsers beoog nou om hierdie werk te herhaal met anti-ferromagnetiese materiale, waar die netto effek van die individuele magnetiese momente kanselleer.Dit is belowend wanneer dit by rekenaars kom - in teorie kan anti-ferromagnetiese materiale gebruik word om toestelle te maak wat min energie benodig en stabiel bly selfs wanneer krag verloor word - maar baie moeiliker om te ondersoek omdat die seine wat hulle produseer baie swakker sal wees .
Ondanks daardie uitdaging is Folven optimisties."Ons het die eerste grond gedek deur te wys ons kan monsters maak en daardeur kyk met X-strale," sê hy."Die volgende stap sal wees om te sien of ons monsters van voldoende hoë gehalte kan maak om genoeg sein van 'n anti-ferromagnetiese materiaal te kry."
Postyd: 10 Mei 2021