Para peneliti dari NTNU menyoroti material magnetik dalam skala kecil dengan membuat film menggunakan bantuan sinar-X yang sangat terang.
Erik Folven, salah satu direktur kelompok elektronik oksida di Departemen Sistem Elektronik NTNU, dan rekannya dari NTNU dan Universitas Ghent di Belgia berupaya melihat bagaimana mikromagnet film tipis berubah ketika diganggu oleh medan magnet luar.Pekerjaan tersebut, sebagian didanai oleh NTNU Nano dan Dewan Penelitian Norwegia, diterbitkan dalam jurnal Physical Review Research.
Magnet kecil
Einar Standal Digernes menemukan magnet persegi kecil yang digunakan dalam eksperimen.
Magnet persegi kecil, dibuat oleh NTNU Ph.D.kandidat Einar Standal Digernes, hanya berukuran lebar dua mikrometer dan dibagi menjadi empat domain segitiga, masing-masing dengan orientasi magnet berbeda yang mengarah searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam di sekitar magnet.
Pada bahan magnetik tertentu, kelompok atom yang lebih kecil bersatu membentuk area yang disebut domain, dimana semua elektron memiliki orientasi magnetik yang sama.
Pada magnet NTNU, domain-domain ini bertemu pada titik pusat—inti pusaran—di mana momen magnet mengarah langsung ke dalam atau ke luar bidang material.
“Saat kita menerapkan medan magnet, semakin banyak domain yang mengarah ke arah yang sama,” kata Folven.“Mereka bisa tumbuh dan menyusut, lalu mereka bisa bergabung satu sama lain.”
Elektron hampir mencapai kecepatan cahaya
Melihat hal ini terjadi tidaklah mudah.Para peneliti membawa mikromagnet mereka ke sinkrotron berbentuk donat selebar 80m, yang dikenal sebagai BESSY II, di Berlin, di mana elektron dipercepat hingga bergerak hampir dengan kecepatan cahaya.Elektron yang bergerak cepat tersebut kemudian memancarkan sinar X yang sangat terang.
“Kami mengambil sinar-X ini dan menggunakannya sebagai cahaya di mikroskop kami,” kata Folven.
Karena elektron bergerak mengelilingi sinkrotron dalam kelompok yang dipisahkan oleh dua nanodetik, sinar-X yang dipancarkannya datang dalam bentuk pulsa yang tepat.
Mikroskop sinar-X transmisi pemindaian, atau STXM, mengambil sinar-X tersebut untuk membuat gambaran struktur magnetik material.Dengan menyatukan gambar-gambar ini, para peneliti pada dasarnya dapat membuat film yang menunjukkan bagaimana mikromagnet berubah seiring waktu.
Dengan bantuan STXM, Folven dan rekan-rekannya mengganggu mikromagnet mereka dengan pulsa arus yang menghasilkan medan magnet, dan melihat domain berubah bentuk dan inti pusaran bergerak dari pusat.
“Anda memiliki magnet yang sangat kecil, lalu Anda menyodoknya dan mencoba membayangkan magnet tersebut kembali mengendap,” katanya.Setelah itu, mereka melihat inti kembali ke tengah—tetapi melalui jalur yang berkelok-kelok, bukan garis lurus.
“Ini akan seperti menari kembali ke tengah,” kata Folven.
Satu slip dan semuanya berakhir
Itu karena mereka mempelajari bahan epitaksi, yang dibuat di atas substrat yang memungkinkan peneliti mengubah sifat bahan tersebut, namun akan memblokir sinar-X di STXM.
Bekerja di NTNU NanoLab, para peneliti memecahkan masalah substrat dengan mengubur mikromagnet di bawah lapisan karbon untuk melindungi sifat magnetiknya.
Kemudian mereka dengan hati-hati dan tepat mengikis substrat di bawahnya dengan sinar ion galium yang terfokus hingga hanya tersisa lapisan yang sangat tipis.Proses yang melelahkan ini bisa memakan waktu delapan jam per sampel—dan satu kesalahan saja bisa menyebabkan bencana.
“Yang penting adalah, jika daya tariknya dihilangkan, kita tidak akan mengetahuinya sebelum kita duduk di Berlin,” katanya.“Caranya tentu saja dengan membawa lebih dari satu sampel.”
Dari fisika dasar hingga perangkat masa depan
Untungnya hal ini berhasil, dan tim menggunakan sampel yang telah disiapkan dengan cermat untuk memetakan bagaimana domain mikromagnet tumbuh dan menyusut seiring waktu.Mereka juga membuat simulasi komputer untuk lebih memahami kekuatan apa yang sedang bekerja.
Selain meningkatkan pengetahuan kita tentang fisika dasar, memahami cara kerja magnet pada skala panjang dan waktu ini dapat membantu dalam menciptakan perangkat masa depan.
Magnetisme sudah digunakan untuk penyimpanan data, namun para peneliti saat ini mencari cara untuk memanfaatkannya lebih jauh.Orientasi magnetik inti pusaran dan domain mikromagnet, misalnya, mungkin dapat digunakan untuk menyandikan informasi dalam bentuk 0 dan 1.
Para peneliti sekarang bertujuan untuk mengulangi pekerjaan ini dengan bahan anti-feromagnetik, di mana efek bersih dari momen magnetik individu akan hilang.Hal ini menjanjikan dalam hal komputasi—secara teori, bahan anti-feromagnetik dapat digunakan untuk membuat perangkat yang memerlukan sedikit energi dan tetap stabil bahkan ketika listrik padam—tetapi jauh lebih sulit untuk diselidiki karena sinyal yang dihasilkan akan jauh lebih lemah. .
Meski menghadapi tantangan tersebut, Folven tetap optimis.“Kami telah melakukan hal pertama dengan menunjukkan bahwa kami dapat membuat sampel dan memeriksanya dengan sinar-X,” katanya.“Langkah selanjutnya adalah melihat apakah kita dapat membuat sampel dengan kualitas yang cukup tinggi untuk mendapatkan sinyal yang cukup dari bahan anti-feromagnetik.”
Waktu posting: 10 Mei 2021