محققان دانشگاه NTNU با ایجاد فیلم‌هایی با کمک برخی از پرتوهای ایکس بسیار درخشان، در حال روشن کردن مواد مغناطیسی در مقیاس‌های کوچک هستند.
اریک فولون، مدیر مشترک گروه الکترونیک اکسید در دپارتمان سیستم‌های الکترونیکی NTNU، و همکارانش از NTNU و دانشگاه گنت در بلژیک، بر آن شدند تا ببینند که چگونه میکرومغناطیس‌های لایه نازک هنگام اختلال در میدان مغناطیسی خارجی تغییر می‌کنند. این کار که بخشی از بودجه آن توسط NTNU Nano و شورای تحقیقات نروژ تأمین شده است، در مجله Physical Review Research منتشر شد.
آهنرباهای کوچک
اینار استندال دیگرنس آهنرباهای مربعی ریز مورد استفاده در آزمایش‌ها را اختراع کرد.
آهنرباهای مربعی کوچک، که توسط اینار استندال دیگرنس، دانشجوی دکترای دانشگاه NTNU، ساخته شده‌اند، تنها دو میکرومتر عرض دارند و به چهار حوزه مثلثی تقسیم شده‌اند که هر کدام جهت مغناطیسی متفاوتی دارند و در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف جهت عقربه‌های ساعت در اطراف آهنرباها قرار گرفته‌اند.
در برخی مواد مغناطیسی، گروه‌های کوچک‌تر اتم‌ها در مناطقی به نام دامنه به هم می‌پیوندند که در آنها تمام الکترون‌ها جهت‌گیری مغناطیسی یکسانی دارند.
در آهنرباهای NTNU، این حوزه‌ها در یک نقطه مرکزی - هسته گرداب - به هم می‌رسند، جایی که گشتاور مغناطیسی مستقیماً به داخل یا خارج صفحه ماده اشاره می‌کند.
فولون می‌گوید: «وقتی یک میدان مغناطیسی اعمال می‌کنیم، تعداد بیشتری از این حوزه‌ها در یک جهت قرار می‌گیرند. آنها می‌توانند بزرگ و کوچک شوند و سپس می‌توانند در یکدیگر ادغام شوند.»
الکترون‌ها تقریباً با سرعت نور
دیدن این اتفاق آسان نیست. محققان میکرومغناطیس‌های خود را به یک سینکروترون دونات شکل با عرض ۸۰ متر، معروف به BESSY II، در برلین بردند، جایی که الکترون‌ها تا زمانی که تقریباً با سرعت نور حرکت کنند، شتاب می‌گیرند. سپس این الکترون‌های پرسرعت، اشعه ایکس بسیار درخشانی ساطع می‌کنند.
فولون می‌گوید: «ما این پرتوهای ایکس را می‌گیریم و از آنها به عنوان نور در میکروسکوپ خود استفاده می‌کنیم.»
از آنجا که الکترون‌ها در دسته‌هایی با فاصله دو نانوثانیه در اطراف سینکروترون حرکت می‌کنند، پرتوهای ایکسی که ساطع می‌کنند به صورت پالس‌های دقیقی هستند.
یک میکروسکوپ اشعه ایکس عبوری روبشی یا STXM، آن اشعه‌های ایکس را برای ایجاد تصویری از ساختار مغناطیسی ماده می‌گیرد. با چسباندن این تصاویر به یکدیگر، محققان اساساً می‌توانند فیلمی بسازند که نشان می‌دهد چگونه میکرومغناطیس در طول زمان تغییر می‌کند.
با کمک STXM، فولون و همکارانش میکرومغناطیس‌های خود را با پالسی از جریان که یک میدان مغناطیسی تولید می‌کرد، مختل کردند و تغییر شکل دامنه‌ها و حرکت هسته گرداب از مرکز را مشاهده کردند.
او می‌گوید: «شما یک آهنربای بسیار کوچک دارید، سپس آن را فشار می‌دهید و سعی می‌کنید از آن هنگام نشست مجدد تصویر بگیرید.» پس از آن، آنها مشاهده کردند که هسته به وسط زمین بازگشت - اما در امتداد یک مسیر مارپیچ، نه یک خط مستقیم.
فولون می‌گوید: «مثل رقصی به مرکز برمی‌گردد.»
یک لغزش و تمام
دلیلش این است که آنها مواد اپیتاکسیال را مطالعه می‌کنند، که روی بستری ساخته می‌شوند که به محققان اجازه می‌دهد خواص ماده را تغییر دهند، اما در STXM مانع از عبور اشعه ایکس می‌شود.
محققان با کار در NTNU NanoLab، مشکل زیرلایه را با دفن میکرومغناطیس خود در زیر لایه‌ای از کربن برای محافظت از خواص مغناطیسی آن حل کردند.
سپس آنها با دقت و ظرافت، زیرلایه را با پرتوی متمرکز از یون‌های گالیوم تراشیدند تا زمانی که فقط یک لایه بسیار نازک باقی بماند. این فرآیند طاقت‌فرسا می‌توانست برای هر نمونه هشت ساعت طول بکشد - و یک اشتباه می‌توانست فاجعه‌ای را رقم بزند.
او می‌گوید: «نکته مهم این است که اگر خاصیت مغناطیسی را از بین ببرید، قبل از اینکه در برلین بنشینیم، متوجه آن نخواهیم شد. البته نکته این است که بیش از یک نمونه بیاورید.»
از فیزیک بنیادی تا دستگاه‌های آینده
خوشبختانه این روش جواب داد و تیم از نمونه‌های با دقت آماده‌شده‌ی خود برای ترسیم چگونگی رشد و کوچک شدن دامنه‌های میکرومغناطیس در طول زمان استفاده کرد. آنها همچنین شبیه‌سازی‌های کامپیوتری ایجاد کردند تا درک بهتری از نیروهای مؤثر داشته باشند.
علاوه بر ارتقای دانش ما در مورد فیزیک بنیادی، درک چگونگی عملکرد مغناطیس در این مقیاس‌های طولی و زمانی می‌تواند در ساخت دستگاه‌های آینده مفید باشد.
مغناطیس در حال حاضر برای ذخیره سازی داده ها استفاده می شود، اما محققان در حال حاضر به دنبال راه هایی برای بهره برداری بیشتر از آن هستند. به عنوان مثال، جهت گیری مغناطیسی هسته گرداب و دامنه های یک میکرومغناطیس شاید بتواند برای رمزگذاری اطلاعات به شکل ۰ و ۱ استفاده شود.
محققان اکنون قصد دارند این کار را با مواد ضد فرومغناطیس تکرار کنند، جایی که اثر خالص گشتاورهای مغناطیسی منفرد خنثی می‌شود. این موارد در محاسبات امیدوارکننده هستند - در تئوری، مواد ضد فرومغناطیس می‌توانند برای ساخت دستگاه‌هایی که به انرژی کمی نیاز دارند و حتی در صورت قطع برق پایدار می‌مانند، استفاده شوند - اما بررسی آنها بسیار دشوارتر است زیرا سیگنال‌هایی که تولید می‌کنند بسیار ضعیف‌تر خواهند بود.
با وجود این چالش، فولون خوشبین است. او می‌گوید: «ما با نشان دادن اینکه می‌توانیم نمونه‌ها را بسازیم و با اشعه ایکس آنها را بررسی کنیم، گام اول را برداشته‌ایم. گام بعدی این خواهد بود که ببینیم آیا می‌توانیم نمونه‌هایی با کیفیت به اندازه کافی بالا بسازیم تا سیگنال کافی از یک ماده ضد فرومغناطیس دریافت کنیم یا خیر.»
زمان ارسال: ۱۰ مه ۲۰۲۱