Изследователи от NTNU хвърлят светлина върху магнитни материали в малки мащаби, като създават филми с помощта на някои изключително ярки рентгенови лъчи.
Ерик Фолвен, съдиректор на групата за оксидна електроника в катедрата по електронни системи на NTNU, и колеги от NTNU и университета в Гент в Белгия се заеха да видят как тънкослойните микромагнити се променят, когато се смущават от външно магнитно поле.Работата, частично финансирана от NTNU Nano и Изследователския съвет на Норвегия, е публикувана в списанието Physical Review Research.
Малки магнити
Einar Standal Digernes изобретява малките квадратни магнити, използвани в експериментите.
Малките квадратни магнити, създадени от NTNU Ph.D.кандидат Einar Standal Digernes, са широки само два микрометра и са разделени на четири триъгълни домена, всеки с различна магнитна ориентация, насочена по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка около магнитите.
В някои магнитни материали по-малки групи от атоми се обединяват в области, наречени домейни, в които всички електрони имат еднаква магнитна ориентация.
В магнитите NTNU тези области се срещат в централна точка - вихровото ядро - където магнитният момент сочи директно в или извън равнината на материала.
„Когато прилагаме магнитно поле, все повече и повече от тези домейни ще сочат в една и съща посока“, казва Фолвен.„Те могат да растат и могат да се свиват, а след това могат да се слеят един в друг.“
Електрони почти със скоростта на светлината
Да видиш как това се случва не е лесно.Изследователите отнесоха своите микромагнити до синхротрон с форма на поничка с ширина 80 метра, известен като BESSY II, в Берлин, където електроните се ускоряват, докато се движат почти със скоростта на светлината.След това тези бързо движещи се електрони излъчват изключително ярки рентгенови лъчи.
„Ние вземаме тези рентгенови лъчи и ги използваме като светлина в нашия микроскоп“, казва Фолвен.
Тъй като електроните пътуват около синхротрона на групи, разделени от две наносекунди, рентгеновите лъчи, които излъчват, идват в точни импулси.
Сканиращ трансмисионен рентгенов микроскоп или STXM взема тези рентгенови лъчи, за да създаде моментна снимка на магнитната структура на материала.Като съединят тези моментни снимки заедно, изследователите могат по същество да създадат филм, показващ как микромагнитът се променя с времето.
С помощта на STXM, Folven и колегите му смутиха своите микромагнити с импулс от ток, който генерира магнитно поле, и видяха домейните да променят формата си и ядрото на вихъра да се движи от центъра.
„Имате много малък магнит, след което го натискате и се опитвате да го изобразите, докато се установява отново“, казва той.След това видяха ядрото да се връща в средата - но по криволичеща пътека, а не по права линия.
„Ще танцува обратно към центъра“, казва Фолвен.
Едно подхлъзване и край
Това е така, защото те изучават епитаксиални материали, които се създават върху субстрат, който позволява на изследователите да променят свойствата на материала, но биха блокирали рентгеновите лъчи в STXM.
Работейки в NTNU NanoLab, изследователите решиха проблема със субстрата, като заровиха своя микромагнит под слой въглерод, за да защитят неговите магнитни свойства.
След това те внимателно и прецизно отрязват субстрата отдолу с фокусиран лъч от галиеви йони, докато остане само много тънък слой.Усърдният процес може да отнеме осем часа на проба - и едно пропускане може да доведе до катастрофа.
„Критичното е, че ако убиете магнетизма, няма да разберем това, преди да седнем в Берлин“, казва той.„Номерът е, разбира се, да донесете повече от една проба.“
От фундаменталната физика до бъдещите устройства
За щастие проработи и екипът използва своите внимателно подготвени проби, за да начертае как домейните на микромагнита растат и се свиват с течение на времето.Те също така създадоха компютърни симулации, за да разберат по-добре какви сили действат.
Освен че разширяваме знанията си за фундаменталната физика, разбирането как работи магнетизмът при тези мащаби на дължина и време може да бъде полезно при създаването на бъдещи устройства.
Магнетизмът вече се използва за съхранение на данни, но в момента изследователите търсят начини да го използват допълнително.Магнитните ориентации на вихровото ядро и домейните на микромагнит, например, биха могли да се използват за кодиране на информация под формата на 0s и 1s.
Сега изследователите се стремят да повторят тази работа с антиферомагнитни материали, където нетният ефект на отделните магнитни моменти се отменя.Те са обещаващи, когато става въпрос за компютри – на теория антиферомагнитните материали могат да се използват за направата на устройства, които изискват малко енергия и остават стабилни дори при загуба на захранване – но са много по-трудни за изследване, тъй като сигналите, които произвеждат, ще бъдат много по-слаби .
Въпреки това предизвикателство Фолвен е оптимист.„Покрихме първата основа, като показахме, че можем да правим проби и да ги разглеждаме с рентгенови лъчи“, казва той.„Следващата стъпка ще бъде да видим дали можем да направим проби с достатъчно високо качество, за да получим достатъчно сигнал от антиферомагнитен материал.“
Време на публикуване: 10 май 2021 г