דרך חדשה להסתכל על הפעולה הפנימית של מגנטים זעירים

חוקרים מ-NTNU שופכים אור על חומרים מגנטיים בקנה מידה קטן על ידי יצירת סרטים בעזרת קרני רנטגן בהירות במיוחד.

אריק פולבן, מנהל שותף של קבוצת האלקטרוניקה של תחמוצת במחלקה למערכות אלקטרוניות של NTNU, ועמיתיו מ-NTNU ומאוניברסיטת גנט בבלגיה, יצאו לבחון כיצד מיקרומגנטים בעלי שכבה דקה משתנים כאשר הם מופרעים על ידי שדה מגנטי חיצוני. העבודה, במימון חלקי של NTNU Nano ומועצת המחקר של נורבגיה, פורסמה בכתב העת Physical Review Research.

מגנטים זעירים

איינאר סטנדל דיגרנס המציא את המגנטים המרובעים הזעירים ששימשו בניסויים.

המגנטים המרובעים הזעירים, שנוצרו על ידי מועמד לדוקטורט של NTNU, איינר סטנדל דיגרנס, הם ברוחב של שני מיקרומטרים בלבד ומחולקים לארבעה תחומים משולשים, שלכל אחד מהם כיוון מגנטי שונה המצביע עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון סביב המגנטים.

בחומרים מגנטיים מסוימים, קבוצות קטנות יותר של אטומים מתאחדות לאזורים הנקראים דומיינים, שבהם לכל האלקטרונים יש את אותה כיוון מגנטי.

במגנטים של NTNU, תחומים אלה נפגשים בנקודה מרכזית - ליבת המערבולת - שבה המומנט המגנטי מצביע ישירות פנימה או החוצה ממישור החומר.

"כאשר אנו מפעילים שדה מגנטי, עוד ועוד מהתחומים הללו יצביעו לאותו כיוון", אומר פולבן. "הם יכולים לגדול והם יכולים להתכווץ, ואז הם יכולים להתמזג זה עם זה."

אלקטרונים כמעט במהירות האור

לא קל לראות את זה קורה. החוקרים לקחו את המיקרו-מגנטים שלהם לסינכרוטרון בצורת דונאט ברוחב 80 מטר, המכונה BESSY II, בברלין, שם אלקטרונים מואצים עד שהם נעים כמעט במהירות האור. אלקטרונים אלה הנעים במהירות פולטים לאחר מכן קרני רנטגן בהירות במיוחד.

"אנחנו לוקחים את צילומי הרנטגן האלה ומשתמשים בהם כאור במיקרוסקופ שלנו", אומר פולבן.

מכיוון שאלקטרונים נעים סביב הסינכרוטרון בקבוצות המופרדות על ידי שתי ננו-שניות, קרני הרנטגן שהם פולטים מגיעות בפולסים מדויקים.

מיקרוסקופ רנטגן סורק, או STXM, לוקח את קרני הרנטגן הללו כדי ליצור תמונת מצב של המבנה המגנטי של החומר. על ידי חיבור התמונות הללו יחד, החוקרים יכולים למעשה ליצור סרט המראה כיצד המיקרומגנט משתנה לאורך זמן.

בעזרת ה-STXM, פולבן ועמיתיו הפריעו את המיקרו-מגנטים שלהם באמצעות פולס זרם שיצר שדה מגנטי, וראו את התחומים משנים צורה ואת ליבת המערבולת זזה מהמרכז.

"יש לך מגנט קטן מאוד, ואז אתה דוקר אותו ומנסה לדמיין אותו כשהוא מתייצב שוב", הוא אומר. לאחר מכן, הם ראו את הליבה חוזרת למרכז - אבל לאורך מסלול מתפתל, לא קו ישר.

"זה ירקוד בחזרה למרכז", אומר פולבן.

החלקה אחת וזה נגמר

הסיבה לכך היא שהם חוקרים חומרים אפיטקסיאליים, אשר נוצרים על גבי מצע המאפשר לחוקרים לשנות את תכונות החומר, אך יחסמו את קרני הרנטגן ב-STXM.

החוקרים, שעבדו ב-NTNU NanoLab, פתרו את בעיית המצע על ידי קבירת המיקרו-מגנט שלהם מתחת לשכבת פחמן כדי להגן על תכונותיו המגנטיות.

לאחר מכן הם חתכו בזהירות ובדייקנות את המצע שמתחת בעזרת קרן ממוקדת של יוני גליום עד שנותרה רק שכבה דקה מאוד. התהליך המיידי יכול היה להימשך שמונה שעות לכל דגימה - וטעות אחת עלולה להוביל לאסון.

"הדבר הקריטי הוא שאם תפסיקו את המגנטיות, לא נדע זאת לפני שנשב בברלין", הוא אומר. "הטריק הוא, כמובן, להביא יותר מדגימה אחת".

מפיזיקה בסיסית ועד למכשירים עתידיים

למרבה המזל זה עבד, והצוות השתמש בדגימות שהוכנו בקפידה כדי לתאר כיצד תחומי המיקרומגנט גדלים ומתכווצים לאורך זמן. הם גם יצרו סימולציות מחשב כדי להבין טוב יותר אילו כוחות פעלו.

בנוסף לקידום הידע שלנו בפיזיקה בסיסית, הבנת האופן שבו מגנטיות פועלת בקני מידה אלה של אורך וזמן עשויה לסייע ביצירת התקנים עתידיים.

מגנטיות כבר משמשת לאחסון נתונים, אך חוקרים מחפשים כעת דרכים לנצל אותה עוד יותר. האוריינטציות המגנטיות של ליבת המערבולת והתחומים של מיקרומגנט, לדוגמה, יוכלו לשמש לקידוד מידע בצורת אפס ואחד.

החוקרים שואפים כעת לחזור על עבודה זו עם חומרים אנטי-פרומגנטיים, שבהם ההשפעה נטו של המומנטים המגנטיים האינדיבידואליים מבטלת את עצמה. חומרים אלה מבטיחים בכל הנוגע למחשוב - בתיאוריה, ניתן להשתמש בחומרים אנטי-פרומגנטיים לייצור מכשירים הדורשים מעט אנרגיה ונשארים יציבים גם כאשר אובדן חשמל - אך הם הרבה יותר מסובכים לחקירה מכיוון שהאותות שהם מייצרים יהיו חלשים בהרבה.

למרות האתגר הזה, פולבן אופטימי. "כיסינו את השלב הראשון בכך שהראינו שאנחנו יכולים לייצר דגימות ולבחון אותן באמצעות קרני רנטגן", הוא אומר. "הצעד הבא יהיה לראות האם נוכל לייצר דגימות באיכות גבוהה מספיק כדי לקבל מספיק אות מחומר אנטי-פרומגנטי."