Mae ymchwilwyr o NTNU yn taflu goleuni ar ddeunyddiau magnetig ar raddfeydd bach trwy greu ffilmiau gyda chymorth rhai pelydrau-X hynod o llachar.
Aeth Erik Folven, cyd-gyfarwyddwr y grŵp electroneg ocsid yn Adran Systemau Electronig NTNU, a chydweithwyr o NTNU a Phrifysgol Ghent yng Ngwlad Belg ati i weld sut mae micromagnetau ffilm denau yn newid pan gânt eu haflonyddu gan faes magnetig allanol. Cyhoeddwyd y gwaith, a ariannwyd yn rhannol gan NTNU Nano a Chyngor Ymchwil Norwy, yn y cyfnodolyn Physical Review Research.
Magnetau bach
Dyfeisiodd Einar Standal Digernes y magnetau sgwâr bach a ddefnyddiwyd yn yr arbrofion.
Mae'r magnetau sgwâr bach, a grëwyd gan ymgeisydd PhD NTNU Einar Standal Digernes, ond yn ddau ficrometr o led ac wedi'u rhannu'n bedwar parth trionglog, pob un â chyfeiriadedd magnetig gwahanol yn pwyntio'n glocwedd neu'n wrthglocwedd o amgylch y magnetau.
Mewn rhai deunyddiau magnetig, mae grwpiau llai o atomau'n ymuno â'i gilydd i mewn i ardaloedd o'r enw parthau, lle mae gan yr holl electronau'r un cyfeiriadedd magnetig.
Yn y magnetau NTNU, mae'r parthau hyn yn cwrdd mewn pwynt canolog—craidd y fortecs—lle mae'r foment magnetig yn pwyntio'n uniongyrchol i mewn neu allan o blân y deunydd.
“Pan fyddwn yn defnyddio maes magnetig, bydd mwy a mwy o’r parthau hyn yn pwyntio i’r un cyfeiriad,” meddai Folven. “Gallant dyfu a gallant grebachu, ac yna gallant uno i’w gilydd.”
Electronau bron ar gyflymder golau
Nid yw gweld hyn yn digwydd yn hawdd. Aeth yr ymchwilwyr â'u micromagnetau i synchrotron siâp toesen 80m o led, o'r enw BESSY II, yn Berlin, lle mae electronau'n cael eu cyflymu nes eu bod yn teithio bron ar gyflymder golau. Yna mae'r electronau cyflym hynny'n allyrru pelydrau-X hynod o ddisglair.
“Rydyn ni’n cymryd y pelydrau-X hyn ac yn eu defnyddio fel y golau yn ein microsgop,” meddai Folven.
Gan fod electronau'n teithio o amgylch y synchrotron mewn clystyrau sydd wedi'u gwahanu gan ddau nanoeiliad, mae'r pelydrau-X maen nhw'n eu hallyrru yn dod mewn curiadau manwl gywir.
Mae microsgop pelydr-X trawsyrru sganio, neu STXM, yn cymryd y pelydrau-X hynny i greu ciplun o strwythur magnetig y deunydd. Drwy wnïo'r cipluniau hyn at ei gilydd, gall yr ymchwilwyr greu ffilm sy'n dangos sut mae'r micromagnet yn newid dros amser.
Gyda chymorth yr STXM, tarfu Folven a'i gydweithwyr ar eu micromagnetau gyda phwls o gerrynt a gynhyrchodd faes magnetig, a gweld y parthau'n newid siâp a chraidd y fortecs yn symud o'r canol.
“Mae gennych chi fagnet bach iawn, ac yna rydych chi'n ei bigo ac yn ceisio ei ddelweddu wrth iddo setlo eto,” meddai. Wedi hynny, gwelsant y craidd yn dychwelyd i'r canol—ond ar hyd llwybr troellog, nid llinell syth.
“Bydd yn dawnsio’n ôl i’r canol, ryw fath,” meddai Folven.
Un slip ac mae drosodd
Mae hynny oherwydd eu bod yn astudio deunyddiau epitacsial, sy'n cael eu creu ar ben swbstrad sy'n caniatáu i ymchwilwyr addasu priodweddau'r deunydd, ond byddai'n rhwystro'r pelydrau-X mewn STXM.
Gan weithio yn NTNU NanoLab, datrysodd yr ymchwilwyr y broblem swbstrad trwy gladdu eu micromagnet o dan haen o garbon i amddiffyn ei briodweddau magnetig.
Yna fe wnaethon nhw dorri'r swbstrad oddi tano yn ofalus ac yn fanwl gywir gyda thrawst wedi'i ffocysu o ïonau galiwm nes mai dim ond haen denau iawn oedd ar ôl. Gallai'r broses fanwl gymryd wyth awr fesul sampl—a gallai un camgymeriad arwain at drychineb.
“Y peth hollbwysig yw, os byddwch chi'n lladd y magnetedd, ni fyddwn ni'n gwybod hynny cyn i ni eistedd ym Merlin,” meddai. “Y tric, wrth gwrs, yw dod â mwy nag un sampl.”
O ffiseg sylfaenol i ddyfeisiau'r dyfodol
Diolch byth, fe weithiodd, a defnyddiodd y tîm eu samplau a baratowyd yn ofalus i siartio sut mae parthau'r micromagnet yn tyfu ac yn crebachu dros amser. Fe wnaethant hefyd greu efelychiadau cyfrifiadurol i ddeall yn well pa rymoedd oedd ar waith.
Yn ogystal â gwella ein gwybodaeth am ffiseg sylfaenol, gallai deall sut mae magnetedd yn gweithio ar y graddfeydd hyd ac amser hyn fod o gymorth wrth greu dyfeisiau yn y dyfodol.
Defnyddir magnetedd eisoes ar gyfer storio data, ond mae ymchwilwyr ar hyn o bryd yn chwilio am ffyrdd o'i fanteisio ymhellach. Gellid defnyddio cyfeiriadau magnetig craidd y fortecs a pharthau micromagnet, er enghraifft, i amgodio gwybodaeth ar ffurf 0au ac 1au.
Mae'r ymchwilwyr bellach yn anelu at ailadrodd y gwaith hwn gyda deunyddiau gwrth-fferomagnetig, lle mae effaith net y fomentiau magnetig unigol yn canslo. Mae'r rhain yn addawol o ran cyfrifiadura—mewn theori, gellid defnyddio deunyddiau gwrth-fferomagnetig i wneud dyfeisiau sydd angen ychydig o ynni ac sy'n aros yn sefydlog hyd yn oed pan gollir pŵer—ond maen nhw'n llawer anoddach i'w hymchwilio oherwydd bydd y signalau maen nhw'n eu cynhyrchu yn llawer gwannach.
Er gwaethaf yr her honno, mae Folven yn optimistaidd. “Rydym wedi gwneud y cam cyntaf drwy ddangos y gallwn wneud samplau ac edrych drwyddynt gyda phelydrau-X,” meddai. “Y cam nesaf fydd gweld a allwn wneud samplau o ansawdd digon uchel i gael digon o signal o ddeunydd gwrth-fferomagnetig.”
Amser postio: Mai-10-2021