Mae ymchwilwyr o NTNU yn taflu goleuni ar ddeunyddiau magnetig ar raddfeydd bach trwy greu ffilmiau gyda chymorth rhai pelydrau-X hynod ddisglair.
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 fydd maes magnetig allanol yn tarfu arnynt.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 NTNU Ph.D.Einar Standal Digernes, sy'n ymgeisydd, yn ddau ficromedr o led yn unig 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 yn bandio gyda'i gilydd i feysydd a elwir yn barthau, lle mae gan yr holl electronau yr un cyfeiriadedd magnetig.
Yn y magnetau NTNU, mae'r parthau hyn yn cwrdd ar bwynt canolog - y craidd fortecs - lle mae'r foment magnetig yn pwyntio'n uniongyrchol i mewn neu allan o awyren y deunydd.
“Pan fyddwn yn cymhwyso maes magnetig, bydd mwy a mwy o’r parthau hyn yn pwyntio i’r un cyfeiriad,” meddai Folven.“Gallant dyfu a chrebachu, ac yna gallant uno â'i 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, a elwir yn BESSY II, yn Berlin, lle mae electronau'n cael eu cyflymu nes eu bod yn teithio ar gyflymder golau bron.Mae'r electronau hynny sy'n symud yn gyflym wedyn yn allyrru pelydrau-X hynod o ddisglair.
“Rydym yn cymryd y pelydrau-X hyn ac yn eu defnyddio fel y golau yn ein microsgop,” meddai Folven.
Oherwydd bod electronau'n teithio o amgylch y synchrotron mewn sypiau sydd wedi'u gwahanu gan ddau nanosecond, mae'r pelydrau-X y maent yn 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.Trwy bwytho'r cipluniau hyn at ei gilydd, gall yr ymchwilwyr yn y bôn greu ffilm sy'n dangos sut mae'r micromagnet yn newid dros amser.
Gyda chymorth y STXM, darfu Folven a'i gydweithwyr eu micromagnetau gyda churiad o gerrynt a gynhyrchodd faes magnetig, a gwelodd 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 brocio 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 fath o ddawnsio yn ôl i’r ganolfan,” meddai Folven.
Un slip ac mae drosodd
Mae hynny oherwydd eu bod yn astudio deunyddiau epitaxial, sy'n cael eu creu ar ben swbstrad sy'n caniatáu i ymchwilwyr addasu priodweddau'r deunydd, ond a fyddai'n rhwystro'r pelydrau-X mewn STXM.
Gan weithio yn NTNU NanoLab, datrysodd yr ymchwilwyr broblem y 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 ffocws o ïonau gallium nes mai dim ond haen denau iawn oedd ar ôl.Gallai'r broses fanwl gymryd wyth awr fesul sampl - a gallai un llithriad arwain at drychineb.
“Y peth hanfodol yw, os byddwch chi'n lladd y magnetedd, ni fyddwn yn gwybod hynny cyn i ni eistedd yn Berlin,” 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 olrhain 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 datblygu ein gwybodaeth am ffiseg sylfaenol, gallai deall sut mae magnetedd yn gweithio ar yr hyd a'r graddfeydd amser hyn fod o gymorth wrth greu dyfeisiau yn y dyfodol.
Mae magnetedd eisoes yn cael ei ddefnyddio ar gyfer storio data, ond mae ymchwilwyr ar hyn o bryd yn chwilio am ffyrdd o fanteisio arno ymhellach.Efallai y gellid defnyddio cyfeiriadedd magnetig craidd fortecs a pharthau micromagnet, er enghraifft, i amgodio gwybodaeth ar ffurf 0s ac 1s.
Mae'r ymchwilwyr nawr yn anelu at ailadrodd y gwaith hwn gyda deunyddiau gwrth-fferromagnetig, lle mae effaith net yr eiliadau magnetig unigol yn canslo.Mae'r rhain yn addawol o ran cyfrifiadura - mewn theori, gellid defnyddio deunyddiau gwrth-fferromagnetig i wneud dyfeisiau nad oes angen llawer o egni arnynt ac sy'n aros yn sefydlog hyd yn oed pan gollir pŵer - ond yn llawer anoddach ymchwilio iddynt oherwydd bydd y signalau a gynhyrchir ganddynt yn llawer gwannach. .
Er gwaethaf yr her honno, mae Folven yn optimistaidd.“Rydym wedi gorchuddio’r tir cyntaf drwy ddangos y gallwn wneud samplau ac edrych drwyddynt gyda phelydr-X,” meddai.“Y cam nesaf fydd gweld a allwn ni wneud samplau o ansawdd digon uchel i gael digon o signal o ddeunydd gwrth-fferromagnetig.”
Amser postio: Mai-10-2021