NTNU mokslininkai apšviečia magnetines medžiagas mažu masteliu, kurdami filmus naudodami kai kuriuos itin ryškius rentgeno spindulius.
Erikas Folvenas, NTNU Elektroninių sistemų katedros oksidinės elektronikos grupės vienas iš direktorių, ir kolegos iš NTNU ir Gento universiteto Belgijoje nusprendė pamatyti, kaip keičiasi plonasluoksniai mikromagnetai, kai juos trikdo išorinis magnetinis laukas.Darbas, iš dalies finansuojamas NTNU Nano ir Norvegijos tyrimų tarybos, buvo paskelbtas žurnale Physical Review Research.
Maži magnetukai
Einaras Standalas Digernesas išrado mažyčius kvadratinius magnetus, naudotus eksperimentuose.
Maži kvadratiniai magnetai, sukurti NTNU Ph.D.kandidatas Einar Standal Digernes, yra tik dviejų mikrometrų pločio ir suskirstyti į keturias trikampes sritis, kurių kiekviena turi skirtingą magnetinę orientaciją, nukreiptą pagal laikrodžio rodyklę arba prieš laikrodžio rodyklę aplink magnetus.
Tam tikrose magnetinėse medžiagose mažesnės atomų grupės susijungia į sritis, vadinamas domenais, kuriuose visi elektronai turi tą pačią magnetinę orientaciją.
NTNU magnetuose šie domenai susitinka centriniame taške - sūkurio šerdyje, kur magnetinis momentas nukreiptas tiesiai į medžiagos plokštumą arba iš jos.
„Kai taikome magnetinį lauką, vis daugiau šių sričių bus nukreiptos ta pačia kryptimi“, – sako Folvenas.„Jie gali augti ir trauktis, o tada gali susilieti vienas į kitą“.
Elektronai beveik šviesos greičiu
Pamatyti, kad tai vyksta, nėra lengva.Tyrėjai nunešė savo mikromagnetus į 80 m pločio spurgos formos sinchrotroną, žinomą kaip BESSY II, Berlyne, kur elektronai greitinami tol, kol jie skrieja beveik šviesos greičiu.Tuomet tie greitai judantys elektronai skleidžia itin ryškius rentgeno spindulius.
„Mes darome šiuos rentgeno spindulius ir naudojame juos kaip šviesą savo mikroskope“, - sako Folvenas.
Kadangi elektronai aplink sinchrotroną keliauja krūvomis, atskirtomis dviem nanosekundėmis, jų skleidžiami rentgeno spinduliai ateina tiksliais impulsais.
Skenavimo perdavimo rentgeno mikroskopas arba STXM paima tuos rentgeno spindulius, kad sukurtų medžiagos magnetinės struktūros momentinį vaizdą.Sujungdami šiuos momentinius vaizdus, mokslininkai iš esmės gali sukurti filmą, rodantį, kaip mikromagnetas keičiasi laikui bėgant.
Naudodami STXM, Folvenas ir jo kolegos sutrikdė savo mikromagnetus srovės impulsu, kuris generavo magnetinį lauką, ir pamatė, kad domenai keičia formą, o sūkurio šerdis juda iš centro.
„Turite labai mažą magnetą, tada įkišate jį ir bandote atvaizduoti, kaip jis vėl nusėda“, – sako jis.Vėliau jie pamatė, kad šerdis grįžta į vidurį, bet vingiuotu keliu, o ne tiesia linija.
„Tai tarsi šoks atgal į centrą“, - sako Folvenas.
Vienas paslydimas ir viskas
Taip yra todėl, kad jie tiria epitaksines medžiagas, kurios yra sukurtos ant pagrindo, leidžiančio tyrėjams pakoreguoti medžiagos savybes, tačiau blokuoja rentgeno spindulius STXM.
Dirbdami NTNU NanoLab, mokslininkai išsprendė substrato problemą palaidodami savo mikromagnetą po anglies sluoksniu, kad apsaugotų jo magnetines savybes.
Tada jie atsargiai ir tiksliai nuskaldė po apačią esantį pagrindą sufokusuotu galio jonų pluoštu, kol liko tik labai plonas sluoksnis.Kruopštus procesas gali užtrukti aštuonias valandas vienam mėginiui, o vienas paslydimas gali reikšti nelaimę.
„Svarbiausia yra tai, kad jei nužudysite magnetizmą, mes to nesužinosime prieš sėdėdami Berlyne“, – sako jis.„Žinoma, gudrybė yra atnešti daugiau nei vieną pavyzdį.
Nuo pagrindinės fizikos iki ateities įrenginių
Laimei, tai pavyko, ir komanda naudojo savo kruopščiai paruoštus pavyzdžius, kad nustatytų, kaip mikromagneto domenai laikui bėgant auga ir mažėja.Jie taip pat sukūrė kompiuterinius modelius, kad geriau suprastų, kokios jėgos veikia.
Kuriant būsimus įrenginius gali būti naudinga ne tik tobulinti žinias apie pagrindinę fiziką, bet ir suprasti, kaip magnetizmas veikia tokiomis trukmės ir laiko skalėmis.
Magnetizmas jau naudojamas duomenims saugoti, tačiau mokslininkai šiuo metu ieško būdų, kaip jį išnaudoti toliau.Pavyzdžiui, sūkurio šerdies ir mikromagneto domenų magnetinės orientacijos galėtų būti naudojamos informacijai koduoti 0 ir 1 pavidalu.
Mokslininkai dabar siekia pakartoti šį darbą su antiferomagnetinėmis medžiagomis, kur atskirų magnetinių momentų grynasis poveikis panaikinamas.Tai yra daug žadanti, kai kalbama apie skaičiavimus – teoriškai antiferomagnetinės medžiagos gali būti naudojamos gaminant įrenginius, kuriems reikia mažai energijos ir kurie išlieka stabilūs net ir praradus maitinimą, tačiau daug sudėtingiau ištirti, nes jų generuojami signalai bus daug silpnesni. .
Nepaisant šio iššūkio, Folvenas nusiteikęs optimistiškai."Mes apėmėme pirmąjį pagrindą parodydami, kad galime padaryti mėginius ir juos apžiūrėti rentgeno spinduliais", - sako jis.„Kitas žingsnis bus išsiaiškinti, ar galime pagaminti pakankamai aukštos kokybės pavyzdžius, kad gautume pakankamai signalo iš antiferomagnetinės medžiagos.
Paskelbimo laikas: 2021-05-10