Ερευνητές από το NTNU ρίχνουν φως σε μαγνητικά υλικά σε μικρές κλίμακες δημιουργώντας ταινίες με τη βοήθεια ορισμένων εξαιρετικά φωτεινών ακτίνων Χ.
Ο Erik Folven, συν-διευθυντής της ομάδας ηλεκτρονικών οξειδίων στο Τμήμα Ηλεκτρονικών Συστημάτων του NTNU, και οι συνάδελφοί του από το NTNU και το Πανεπιστήμιο της Γάνδης στο Βέλγιο ξεκίνησαν να βλέπουν πώς αλλάζουν οι μικρομαγνήτες λεπτής μεμβράνης όταν διαταράσσονται από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Η εργασία, που χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από το NTNU Nano και το Συμβούλιο Έρευνας της Νορβηγίας, δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Research.
Μικροσκοπικοί μαγνήτες
Ο Einar Standal Digernes εφηύρε τους μικροσκοπικούς τετράγωνους μαγνήτες που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα.
Οι μικροσκοπικοί τετράγωνοι μαγνήτες, που δημιουργήθηκαν από τον υποψήφιο διδάκτορα του NTNU, Einar Standal Digernes, έχουν πλάτος μόλις δύο μικρόμετρα και χωρίζονται σε τέσσερις τριγωνικούς τομείς, ο καθένας με διαφορετικό μαγνητικό προσανατολισμό που δείχνει δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα γύρω από τους μαγνήτες.
Σε ορισμένα μαγνητικά υλικά, μικρότερες ομάδες ατόμων ενώνονται σε περιοχές που ονομάζονται τομείς, στις οποίες όλα τα ηλεκτρόνια έχουν τον ίδιο μαγνητικό προσανατολισμό.
Στους μαγνήτες NTNU, αυτοί οι τομείς συναντώνται σε ένα κεντρικό σημείο - τον πυρήνα στροβίλου - όπου η μαγνητική ροπή δείχνει απευθείας μέσα ή έξω από το επίπεδο του υλικού.
«Όταν εφαρμόζουμε ένα μαγνητικό πεδίο, όλο και περισσότεροι από αυτούς τους τομείς θα δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση», λέει ο Folven. «Μπορούν να μεγαλώνουν και να συρρικνώνονται, και στη συνέχεια να συγχωνεύονται μεταξύ τους».
Ηλεκτρόνια σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός
Το να το δεις αυτό να συμβαίνει δεν είναι εύκολο. Οι ερευνητές μετέφεραν τους μικρομαγνήτες τους σε ένα σύγχροτρο σε σχήμα ντόνατ πλάτους 80 μέτρων, γνωστό ως BESSY II, στο Βερολίνο, όπου τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται μέχρι να ταξιδέψουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Αυτά τα γρήγορα κινούμενα ηλεκτρόνια στη συνέχεια εκπέμπουν εξαιρετικά φωτεινές ακτίνες Χ.
«Παίρνουμε αυτές τις ακτίνες Χ και τις χρησιμοποιούμε ως φως στο μικροσκόπιό μας», λέει ο Φόλβεν.
Επειδή τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν γύρω από το σύγχροτρο σε δέσμες που χωρίζονται από δύο νανοδευτερόλεπτα, οι ακτίνες Χ που εκπέμπουν προέρχονται σε ακριβείς παλμούς.
Ένα μικροσκόπιο ακτίνων Χ σάρωσης-μετάδοσης, ή STXM, λαμβάνει αυτές τις ακτίνες Χ για να δημιουργήσει ένα στιγμιότυπο της μαγνητικής δομής του υλικού. Συνδυάζοντας αυτά τα στιγμιότυπα, οι ερευνητές μπορούν ουσιαστικά να δημιουργήσουν μια ταινία που δείχνει πώς αλλάζει ο μικρομαγνήτης με την πάροδο του χρόνου.
Με τη βοήθεια του STXM, ο Folven και οι συνάδελφοί του διατάραξαν τους μικρομαγνήτες τους με έναν παλμό ρεύματος που δημιούργησε ένα μαγνητικό πεδίο και είδε τους τομείς να αλλάζουν σχήμα και τον πυρήνα της δίνης να μετακινείται από το κέντρο.
«Έχετε έναν πολύ μικρό μαγνήτη και μετά τον τρυπάτε και προσπαθείτε να τον απεικονίσετε καθώς κατακάθεται ξανά», λέει. Στη συνέχεια, είδαν τον πυρήνα να επιστρέφει στη μέση - αλλά κατά μήκος μιας ελικοειδούς διαδρομής, όχι μιας ευθείας γραμμής.
«Θα χορέψει σαν να επιστρέφει στο κέντρο», λέει ο Φόλβεν.
Ένα γλίστρημα και τελείωσε
Αυτό συμβαίνει επειδή μελετούν επιταξιακά υλικά, τα οποία δημιουργούνται πάνω σε ένα υπόστρωμα που επιτρέπει στους ερευνητές να τροποποιούν τις ιδιότητες του υλικού, αλλά θα μπλοκάρει τις ακτίνες Χ σε ένα STXM.
Εργαζόμενοι στο NTNU NanoLab, οι ερευνητές έλυσαν το πρόβλημα του υποστρώματος θάβοντας τον μικρομαγνήτη τους κάτω από ένα στρώμα άνθρακα για να προστατεύσουν τις μαγνητικές του ιδιότητες.
Στη συνέχεια, αφαίρεσαν προσεκτικά και με ακρίβεια το υπόστρωμα από κάτω με μια εστιασμένη δέσμη ιόντων γαλλίου, μέχρι που απέμεινε μόνο ένα πολύ λεπτό στρώμα. Η επίπονη διαδικασία θα μπορούσε να διαρκέσει οκτώ ώρες ανά δείγμα - και ένα λάθος θα μπορούσε να σημάνει καταστροφή.
«Το κρίσιμο είναι ότι, αν σκοτώσουμε τον μαγνητισμό, δεν θα το γνωρίζουμε αυτό πριν καθίσουμε στο Βερολίνο», λέει. «Το κόλπο είναι, φυσικά, να φέρουμε περισσότερα από ένα δείγμα».
Από τη θεμελιώδη φυσική στις συσκευές του μέλλοντος
Ευτυχώς, λειτούργησε και η ομάδα χρησιμοποίησε τα προσεκτικά προετοιμασμένα δείγματα για να καταγράψει πώς οι τομείς του μικρομαγνήτη αναπτύσσονται και συρρικνώνονται με την πάροδο του χρόνου. Δημιούργησαν επίσης προσομοιώσεις σε υπολογιστή για να κατανοήσουν καλύτερα ποιες δυνάμεις ασκούνταν.
Εκτός από την προώθηση των γνώσεών μας για τη θεμελιώδη φυσική, η κατανόηση του πώς λειτουργεί ο μαγνητισμός σε αυτό το μήκος και τις χρονικές κλίμακες θα μπορούσε να είναι χρήσιμη στη δημιουργία μελλοντικών συσκευών.
Ο μαγνητισμός χρησιμοποιείται ήδη για την αποθήκευση δεδομένων, αλλά οι ερευνητές αναζητούν τρόπους για να τον αξιοποιήσουν περαιτέρω. Οι μαγνητικοί προσανατολισμοί του πυρήνα της δίνης και των περιοχών ενός μικρομαγνήτη, για παράδειγμα, θα μπορούσαν ίσως να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση πληροφοριών με τη μορφή 0 και 1.
Οι ερευνητές στοχεύουν τώρα να επαναλάβουν αυτήν την εργασία με αντισιδηρομαγνητικά υλικά, όπου το καθαρό αποτέλεσμα των μεμονωμένων μαγνητικών ροπών ακυρώνεται. Αυτά είναι πολλά υποσχόμενα όσον αφορά την πληροφορική - θεωρητικά, τα αντισιδηρομαγνητικά υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή συσκευών που απαιτούν λίγη ενέργεια και παραμένουν σταθερές ακόμη και όταν διακόπτεται η τροφοδοσία - αλλά είναι πολύ πιο δύσκολο να διερευνηθούν επειδή τα σήματα που παράγουν θα είναι πολύ πιο αδύναμα.
Παρά την πρόκληση αυτή, ο Φόλβεν είναι αισιόδοξος. «Έχουμε καλύψει το πρώτο βήμα δείχνοντας ότι μπορούμε να φτιάξουμε δείγματα και να τα εξετάσουμε με ακτίνες Χ», λέει. «Το επόμενο βήμα θα είναι να δούμε αν μπορούμε να φτιάξουμε δείγματα επαρκώς υψηλής ποιότητας για να λάβουμε αρκετό σήμα από ένα αντισιδηρομαγνητικό υλικό».
Ώρα δημοσίευσης: 10 Μαΐου 2021