Истражувачите од NTNU фрлаат светлина врз магнетните материјали во мали размери преку создавање филмови со помош на екстремно светли Х-зраци.
Ерик Фолвен, ко-директор на групата за оксидна електроника на Одделот за електронски системи на NTNU, и неговите колеги од NTNU и Универзитетот Гент во Белгија, се обидоа да видат како тенкофилмските микромагнети се менуваат кога се вознемируваат од надворешно магнетно поле. Работата, делумно финансирана од NTNU Nano и Истражувачкиот совет на Норвешка, беше објавена во списанието Physical Review Research.
Мали магнети
Ејнар Стандал Дигернес ги измислил малите квадратни магнети што се користеле во експериментите.
Малите квадратни магнети, создадени од докторантот на NTNU, Ејнар Стандал Дигернес, се широки само два микрометри и се поделени на четири триаголни домени, секој со различна магнетна ориентација насочена во насока на стрелките на часовникот или спротивно од стрелките на часовникот околу магнетите.
Во одредени магнетни материјали, помали групи атоми се спојуваат во области наречени домени, во кои сите електрони имаат иста магнетна ориентација.
Кај NTNU магнетите, овие домени се среќаваат во централна точка - вртложното јадро - каде што магнетниот момент покажува директно во или надвор од рамнината на материјалот.
„Кога применуваме магнетно поле, сè повеќе и повеќе од овие домени ќе покажуваат во иста насока“, вели Фолвен. „Тие можат да растат и можат да се собираат, а потоа можат да се спојат еден во друг.“
Електрони речиси со брзина на светлината
Да се види како ова се случува не е лесно. Истражувачите ги однеле своите микромагнети во синхротрон во облик на крофна, широк 80 метри, познат како BESSY II, во Берлин, каде што електроните се забрзуваат сè додека не почнат да патуваат со брзина речиси на светлината. Потоа, тие брзо движечки електрони емитуваат екстремно светли Х-зраци.
„Ги земаме овие рендгенски зраци и ги користиме како светлина во нашиот микроскоп“, вели Фолвен.
Бидејќи електроните патуваат околу синхротронот во снопови одвоени со две наносекунди, рендгенските зраци што ги емитираат доаѓаат во прецизни импулси.
Скенирачкиот трансмисионен рендгенски микроскоп, или STXM, ги зема тие рендгенски зраци за да создаде слика од магнетната структура на материјалот. Со спојување на овие слики заедно, истражувачите во суштина можат да создадат филм што покажува како микромагнетот се менува со текот на времето.
Со помош на STXM, Фолвен и неговите колеги ги вознемирија своите микромагнети со пулс на струја што генерираше магнетно поле и виде како домените ја менуваат формата и јадрото на вртлогот се поместува од центарот.
„Имате многу мал магнет, а потоа го боцкате и се обидувате да го снимите додека повторно се стабилизира“, вели тој. Потоа, тие го виделе јадрото како се враќа во средината - но по кривулеста патека, а не по права линија.
„Некако ќе танцува назад кон центарот“, вели Фолвен.
Едно лизгање и готово е
Тоа е затоа што тие проучуваат епитаксијални материјали, кои се создаваат врз подлога што им овозможува на истражувачите да ги прилагодат својствата на материјалот, но би ги блокирале Х-зраците во STXM.
Работејќи во NTNU NanoLab, истражувачите го решија проблемот со подлогата со закопување на нивниот микромагнет под слој јаглерод за да ги заштитат неговите магнетни својства.
Потоа внимателно и прецизно ја отстраниле подлогата одоздола со фокусиран зрак од галиумски јони сè додека не останал само многу тенок слој. Макотрпниот процес можел да трае осум часа по примерок - а едно промашување можело да значи катастрофа.
„Клучно е што, ако го убиете магнетизмот, нема да го знаеме тоа пред да седнеме во Берлин“, вели тој. „Трикот е, се разбира, да донесете повеќе од еден примерок.“
Од фундаментална физика до идни уреди
За среќа, тоа функционираше, и тимот ги искористи своите внимателно подготвени примероци за да прикаже како домените на микромагнетот растат и се намалуваат со текот на времето. Тие исто така создадоа компјутерски симулации за подобро да разберат кои сили дејствуваат.
Освен што ќе го унапредиме нашето знаење за фундаменталната физика, разбирањето како функционира магнетизмот на овие должини и временски скали би можело да биде корисно во создавањето идни уреди.
Магнетизмот веќе се користи за складирање на податоци, но истражувачите моментално бараат начини за негово понатамошно искористување. Магнетните ориентации на вртложното јадро и домените на микромагнет, на пример, можеби би можеле да се користат за кодирање информации во форма на 0 и 1.
Истражувачите сега имаат за цел да ја повторат оваа работа со антиферомагнетни материјали, каде што нето ефектот на индивидуалните магнетни моменти се поништува. Ова е ветувачко кога станува збор за компјутерите - во теорија, антиферомагнетните материјали би можеле да се користат за производство на уреди што бараат малку енергија и остануваат стабилни дури и кога ќе се изгуби напојувањето - но многу е потешко да се испита бидејќи сигналите што ги произведуваат ќе бидат многу послаби.
И покрај тој предизвик, Фолвен е оптимист. „Го поминавме почетниот пат покажувајќи дека можеме да направиме примероци и да ги разгледаме со рендгенски зраци“, вели тој. „Следниот чекор ќе биде да видиме дали можеме да направиме примероци со доволно висок квалитет за да добиеме доволно сигнал од антиферомагнетен материјал.“
Време на објавување: 10 мај 2021