Istraživači s NTNU-a bacaju svjetlo na magnetske materijale u malim razmjerima stvarajući filmove uz pomoć nekih iznimno svijetlih X-zraka.
Erik Folven, suvoditelj grupe za oksidnu elektroniku na Odsjeku za elektroničke sustave NTNU-a, i kolege s NTNU-a i Sveučilišta Ghent u Belgiji krenuli su vidjeti kako se mikromagneti tankog filma mijenjaju kada ih ometa vanjsko magnetsko polje.Rad, koji su djelomično financirali NTNU Nano i Istraživačko vijeće Norveške, objavljen je u časopisu Physical Review Research.
Sitni magneti
Einar Standal Digernes izumio je malene četvrtaste magnete korištene u eksperimentima.
Sićušni kvadratni magneti, koje je stvorio NTNU Ph.D.kandidat Einar Standal Digernes, široki su samo dva mikrometra i podijeljeni u četiri trokutaste domene, svaka s različitom magnetskom orijentacijom usmjerenom u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od smjera kazaljke na satu oko magneta.
U određenim magnetskim materijalima, manje skupine atoma povezuju se u područja koja se nazivaju domenama, u kojima svi elektroni imaju istu magnetsku orijentaciju.
U NTNU magnetima, te se domene susreću u središnjoj točki - jezgri vrtloga - gdje magnetski moment pokazuje izravno u ili izvan ravnine materijala.
"Kada primijenimo magnetsko polje, sve više i više ovih domena pokazivat će u istom smjeru", kaže Folven."Mogu rasti i mogu se smanjivati, a onda se mogu stopiti jedno u drugo."
Elektroni gotovo brzinom svjetlosti
Nije lako vidjeti da se ovo događa.Istraživači su svoje mikromagnete odnijeli na 80 m širok sinkrotron u obliku krafne, poznat kao BESSY II, u Berlinu, gdje se elektroni ubrzavaju dok ne putuju skoro brzinom svjetlosti.Ti elektroni koji se brzo kreću tada emitiraju izuzetno svijetle X-zrake.
"Uzimamo ove rendgenske snimke i koristimo ih kao svjetlo u našem mikroskopu", kaže Folven.
Budući da elektroni putuju oko sinkrotrona u skupinama odvojenim dvije nanosekunde, X-zrake koje emitiraju dolaze u preciznim impulsima.
Transmisioni rendgenski mikroskop za skeniranje, ili STXM, uzima te rendgenske zrake kako bi napravio snimku magnetske strukture materijala.Spajajući ove snimke zajedno, istraživači mogu stvoriti film koji pokazuje kako se mikromagnet mijenja tijekom vremena.
Uz pomoć STXM-a, Folven i njegovi kolege uznemirili su svoje mikromagnete pulsom struje koji je generirao magnetsko polje i vidjeli kako domene mijenjaju oblik i kako se jezgra vrtloga pomiče iz središta.
"Imate vrlo mali magnet, a zatim ga probodite i pokušate zamisliti dok se ponovno smješta", kaže on.Poslije su vidjeli kako se jezgra vraća u sredinu - ali krivudavom stazom, a ne ravnom linijom.
"Na neki način će se vratiti u središte", kaže Folven.
Jedan lapsus i gotovo
To je zato što proučavaju epitaksijalne materijale, koji se stvaraju na vrhu supstrata koji omogućuje istraživačima podešavanje svojstava materijala, ali bi blokirao X-zrake u STXM-u.
Radeći u NTNU NanoLab, istraživači su riješili problem supstrata zakopavanjem svog mikromagneta ispod sloja ugljika kako bi zaštitili njegova magnetska svojstva.
Zatim su pažljivo i precizno odrezali supstrat ispod fokusiranim snopom iona galija dok nije ostao samo vrlo tanak sloj.Mukotrpan proces mogao bi potrajati osam sati po uzorku - a jedna pogreška mogla bi dovesti do katastrofe.
"Kritično je to da, ako ubijete magnetizam, to nećemo znati prije nego što sjednemo u Berlin", kaže on."Trik je, naravno, donijeti više od jednog uzorka."
Od temeljne fizike do uređaja budućnosti
Srećom, uspjelo je i tim je upotrijebio svoje pomno pripremljene uzorke kako bi prikazao kako domene mikromagneta rastu i smanjuju se tijekom vremena.Također su napravili računalne simulacije kako bi bolje razumjeli koje su sile bile na djelu.
Uz unaprjeđenje našeg znanja o temeljnoj fizici, razumijevanje načina na koji magnetizam djeluje na ovim duljinama i vremenskim skalama moglo bi biti od pomoći u stvaranju budućih uređaja.
Magnetizam se već koristi za pohranjivanje podataka, ali istraživači trenutno traže načine da ga dalje iskoriste.Magnetske orijentacije vrtložne jezgre i domene mikromagneta, na primjer, možda bi se mogle koristiti za kodiranje informacija u obliku 0 i 1.
Istraživači sada namjeravaju ponoviti ovaj rad s antiferomagnetskim materijalima, gdje se neto učinak pojedinačnih magnetskih momenata poništava.Oni su obećavajući kada je u pitanju računalstvo - u teoriji, antiferomagnetski materijali mogu se koristiti za izradu uređaja koji zahtijevaju malo energije i ostaju stabilni čak i kada se struja izgubi - ali puno je teže istražiti jer će signali koje proizvode biti mnogo slabiji .
Unatoč tom izazovu, Folven je optimističan."Pokrili smo prvi dio pokazujući da možemo napraviti uzorke i pregledati ih rendgenskim zrakama", kaže on."Sljedeći korak bit će vidjeti možemo li napraviti uzorke dovoljno visoke kvalitete da dobijemo dovoljno signala iz antiferomagnetskog materijala."
Vrijeme objave: 10. svibnja 2021