Undersykers fan NTNU skine ljocht op magnetyske materialen op lytse skaal troch films te meitsjen mei help fan ekstreem heldere röntgenstrielen.
Erik Folven, mei-direkteur fan 'e okside-elektroanikagroep oan 'e ôfdieling Elektronyske Systemen fan NTNU, en kollega's fan NTNU en de Universiteit Gent yn België hawwe ûndersocht hoe't tinne-film-mikromagneten feroarje as se fersteurd wurde troch in ekstern magnetysk fjild. It wurk, foar in part finansierd troch NTNU Nano en de Undersyksried fan Noarwegen, waard publisearre yn it tydskrift Physical Review Research.
Lytse magneten
Einar Standal Digernes útfûn de lytse fjouwerkante magneten dy't yn 'e eksperiminten brûkt waarden.
De lytse fjouwerkante magneten, makke troch NTNU-promovendus Einar Standal Digernes, binne mar twa mikrometer breed en ferdield yn fjouwer trijehoekige domeinen, elk mei in oare magnetyske oriïntaasje dy't mei de klok mei of tsjin de klok yn om de magneten wiist.
Yn bepaalde magnetyske materialen binde lytsere groepen atomen byinoar yn gebieten dy't domeinen neamd wurde, wêryn alle elektroanen deselde magnetyske oriïntaasje hawwe.
Yn 'e NTNU-magneten komme dizze domeinen byinoar op in sintraal punt - de vortexkearn - dêr't it magnetyske momint direkt yn of út it flak fan it materiaal wiist.
"As wy in magnetysk fjild oanbringe, sille hieltyd mear fan dizze domeinen yn deselde rjochting wize," seit Folven. "Se kinne groeie en se kinne krimpje, en dan kinne se yn elkoar gearfoegje."
Elektronen hast mei de snelheid fan ljocht
Dit barre te sjen is net maklik. De ûndersikers namen harren mikromagneten mei nei in 80 meter brede donutfoarmige synchrotron, bekend as BESSY II, yn Berlyn, dêr't elektroanen fersneld wurde oant se hast mei de ljochtsnelheid reizgje. Dy fluch bewegende elektroanen stjoere dan ekstreem heldere röntgenstrielen út.
"Wy nimme dizze röntgenstralen en brûke se as it ljocht yn ús mikroskoop," seit Folven.
Omdat elektroanen yn bosken dy't twa nanosekonden skieden binne troch de synchrotron reizgje, komme de röntgenstrielen dy't se útstjoere yn presys pulsen.
In scanning transmission x-ray mikroskoop, of STXM, nimt dy röntgenstralen om in momintopname te meitsjen fan 'e magnetyske struktuer fan it materiaal. Troch dizze momintopnamen oaninoar te naaien, kinne de ûndersikers yn essinsje in film meitsje dy't sjen lit hoe't de mikromagneet yn 'e rin fan' e tiid feroaret.
Mei help fan 'e STXM fersteurden Folven en syn kollega's harren mikromagneten mei in stroompuls dy't in magnetysk fjild generearre, en seagen de domeinen fan foarm feroarje en de draaikolkkearn fan it sintrum ôf bewege.
"Jo hawwe in hiel lytse magneet, en dan stekke jo deryn en besykje it ôf te byldzjen as it wer delkomt," seit er. Dêrnei seagen se de kearn werom nei it midden - mar lâns in slingerpaad, net in rjochte line.
"It sil soarte fan werom dûnsje nei it sintrum," seit Folven.
Ien slip en it is foarby
Dat komt om't se epitaksiale materialen bestudearje, dy't makke binne boppe op in substraat wêrtroch ûndersikers de eigenskippen fan it materiaal kinne oanpasse, mar de röntgenstralen yn in STXM blokkearje soene.
Wurkjend yn NTNU NanoLab hawwe de ûndersikers it substraatprobleem oplost troch har mikromagneet ûnder in laach koalstof te begraven om syn magnetyske eigenskippen te beskermjen.
Doe hakken se foarsichtich en presys it ûnderste substraat ôf mei in rjochte striel fan gallium-ionen oant der noch mar in tige tinne laach oer wie. It moeizame proses koe acht oeren per stekproef duorje - en ien flater koe ramp betsjutte.
"It krúsjale is dat, as jo it magnetisme deadzje, wy dat net witte foardat wy yn Berlyn sitte," seit er. "De trúk is fansels om mear as ien stekproef mei te nimmen."
Fan fûnemintele natuerkunde oant takomstige apparaten
Lokkich wurke it, en it team brûkte harren soarchfâldich tariede samples om yn kaart te bringen hoe't de domeinen fan 'e mikromagneet yn 'e rin fan 'e tiid groeie en krimpen. Se makken ek kompjûtersimulaasjes om better te begripen hokker krêften oan it wurk wiene.
Neist it fergrutsjen fan ús kennis fan fûnemintele natuerkunde, kin it begripen fan hoe't magnetisme wurket op dizze lingte- en tiidskalen nuttich wêze by it meitsjen fan takomstige apparaten.
Magnetisme wurdt al brûkt foar gegevensopslach, mar ûndersikers sykje op it stuit nei manieren om it fierder te eksploitearjen. De magnetyske oriïntaasjes fan 'e vortexkearn en domeinen fan in mikromagneet kinne bygelyks miskien brûkt wurde om ynformaasje te kodearjen yn 'e foarm fan 0's en 1's.
De ûndersikers binne no fan doel dit wurk te werheljen mei anty-ferromagnetyske materialen, wêrby't it netto-effekt fan 'e yndividuele magnetyske mominten inoar opheffet. Dizze binne beloftefol as it giet om kompjûtergebrûk - yn teory koenen anty-ferromagnetyske materialen brûkt wurde om apparaten te meitsjen dy't net folle enerzjy nedich binne en stabyl bliuwe, sels as der stroomûnderbrekking is - mar folle dreger om te ûndersykjen, om't de sinjalen dy't se produsearje folle swakker sille wêze.
Nettsjinsteande dy útdaging is Folven optimistysk. "Wy hawwe de earste wei helle troch te sjen litten dat wy samples meitsje kinne en se mei röntgenstralen besjen kinne," seit er. "De folgjende stap sil wêze om te sjen oft wy samples fan genôch hege kwaliteit meitsje kinne om genôch sinjaal te krijen fan in anty-ferromagnetysk materiaal."
Pleatsingstiid: 10 maaie 2021