Výzkumníci z NTNU vrhají světlo na magnetické materiály v malých měřítcích tím, že vytvářejí filmy s pomocí některých extrémně jasných rentgenových paprsků.
Erik Folven, spoluředitel skupiny oxidové elektroniky na katedře elektronických systémů NTNU, a kolegové z NTNU a Ghent University v Belgii se vydali zjistit, jak se tenkovrstvé mikromagnety mění, když jsou narušeny vnějším magnetickým polem.Práce, částečně financovaná NTNU Nano a výzkumnou radou Norska, byla publikována v časopise Physical Review Research.
Drobné magnety
Einar Standal Digernes vynalezl malé čtvercové magnety používané při experimentech.
Malé čtvercové magnety, vytvořené NTNU Ph.D.kandidát Einar Standal Digernes, jsou jen dva mikrometry široké a rozdělené do čtyř trojúhelníkových domén, z nichž každá má odlišnou magnetickou orientaci směřující ve směru nebo proti směru hodinových ručiček kolem magnetů.
V určitých magnetických materiálech se menší skupiny atomů spojují do oblastí nazývaných domény, ve kterých mají všechny elektrony stejnou magnetickou orientaci.
V magnetech NTNU se tyto domény setkávají v centrálním bodě – vírovém jádru – kde magnetický moment míří přímo do nebo mimo rovinu materiálu.
"Když aplikujeme magnetické pole, stále více těchto domén bude ukazovat stejným směrem," říká Folven."Mohou růst a mohou se zmenšovat a pak mohou splynout jeden do druhého."
Elektrony téměř rychlostí světla
Není snadné vidět, jak se to děje.Vědci vzali své mikromagnety na 80 m široký synchrotron ve tvaru koblihy, známý jako BESSY II, v Berlíně, kde jsou elektrony urychlovány, až se pohybují téměř rychlostí světla.Tyto rychle se pohybující elektrony pak vyzařují extrémně jasné rentgenové záření.
"Vezmeme tyto rentgenové paprsky a použijeme je jako světlo v našem mikroskopu," říká Folven.
Protože elektrony cestují kolem synchrotronu ve svazcích oddělených dvěma nanosekundami, rentgenové záření, které vyzařují, přichází v přesných pulzech.
Skenovací transmisní rentgenový mikroskop nebo STXM tyto rentgenové paprsky pořizuje a vytváří snímek magnetické struktury materiálu.Spojením těchto snímků dohromady mohou vědci v podstatě vytvořit film, který ukazuje, jak se mikromagnet mění v průběhu času.
S pomocí STXM Folven a jeho kolegové narušili své mikromagnety pulzem proudu, který generoval magnetické pole, a viděli, jak domény mění tvar a vírové jádro se pohybuje ze středu.
"Máte velmi malý magnet a pak do něj šťouchnete a pokusíte se ho zobrazit, jak se znovu usadí," říká.Poté viděli, jak se jádro vrací do středu – ale po klikaté cestě, nikoli po přímce.
"Bude to trochu tančit zpátky do středu," říká Folven.
Jeden uklouznutí a je konec
Je to proto, že studují epitaxní materiály, které jsou vytvořeny na povrchu substrátu, který umožňuje výzkumníkům vyladit vlastnosti materiálu, ale blokuje rentgenové záření v STXM.
Při práci v NTNU NanoLab výzkumníci vyřešili problém substrátu pohřbením svého mikromagnetu pod vrstvou uhlíku, aby chránili jeho magnetické vlastnosti.
Poté opatrně a přesně odštípali substrát pod ní soustředěným paprskem galliových iontů, dokud nezůstala jen velmi tenká vrstva.Pečlivý proces by mohl trvat osm hodin na vzorek – a jedno uklouznutí by mohlo znamenat katastrofu.
"Kritické je, že pokud zabijete magnetismus, nebudeme to vědět, dokud se neposadíme do Berlína," říká."Trik je samozřejmě přinést více než jeden vzorek."
Od základní fyziky k budoucím zařízením
Naštěstí to fungovalo a tým použil své pečlivě připravené vzorky ke zmapování toho, jak domény mikromagnetu časem rostou a zmenšují.Vytvořili také počítačové simulace, aby lépe pochopili, jaké síly působí.
Stejně jako prohlubování našich znalostí základní fyziky, pochopení toho, jak magnetismus funguje v těchto délkách a časových měřítcích, by mohlo být užitečné při vytváření budoucích zařízení.
Magnetismus se již používá pro ukládání dat, ale výzkumníci v současné době hledají způsoby, jak jej dále využít.Například magnetické orientace vírového jádra a domén mikromagnetu by mohly být použity ke kódování informací ve formě 0s a 1s.
Vědci se nyní snaží tuto práci zopakovat s antiferomagnetickými materiály, kde se čistý účinek jednotlivých magnetických momentů ruší.Ty jsou slibné, pokud jde o výpočetní techniku – teoreticky by antiferomagnetické materiály mohly být použity k výrobě zařízení, která vyžadují málo energie a zůstávají stabilní i při výpadku napájení – ale mnohem složitější je zkoumat, protože signály, které produkují, budou mnohem slabší. .
Navzdory této výzvě je Folven optimistický."Pokryli jsme první půdu tím, že jsme ukázali, že můžeme vyrobit vzorky a prohlédnout si je rentgenovými paprsky," říká."Dalším krokem bude zjistit, zda dokážeme vyrobit vzorky dostatečně vysoké kvality, abychom získali dostatek signálu z antiferomagnetického materiálu."
Čas odeslání: 10. května 2021