Riċerkaturi minn NTNU qed jitfgħu dawl fuq materjali manjetiċi fuq skala żgħira billi joħolqu films bl-għajnuna ta' xi raġġi-X estremament qawwijin.
Erik Folven, ko-direttur tal-grupp tal-elettronika tal-ossidu fid-Dipartiment tas-Sistemi Elettroniċi tal-NTNU, u kollegi mill-NTNU u l-Università ta' Ghent fil-Belġju ppruvaw jaraw kif il-mikrokalamiti b'film irqiq jinbidlu meta jiġu mfixkla minn kamp manjetiku estern. Ix-xogħol, parzjalment iffinanzjat mill-NTNU Nano u l-Kunsill tar-Riċerka tan-Norveġja, ġie ppubblikat fil-ġurnal Physical Review Research.
Kalamiti żgħar
Einar Standal Digernes ivvinta l-kalamiti kwadri ċkejkna użati fl-esperimenti.
Il-kalamiti kwadri ċkejkna, maħluqa mill-kandidat tal-Ph.D. tal-NTNU Einar Standal Digernes, huma wesgħin biss żewġ mikrometri u maqsuma f'erba' dominji trijangulari, kull wieħed b'orjentazzjoni manjetika differenti li tipponta lejn l-arloġġ jew kontra l-arloġġ madwar il-kalamiti.
F'ċerti materjali manjetiċi, gruppi iżgħar ta' atomi jingħaqdu flimkien f'żoni msejħa dominji, fejn l-elettroni kollha għandhom l-istess orjentazzjoni manjetika.
Fil-kalamiti NTNU, dawn id-dominji jiltaqgħu f'punt ċentrali—il-qalba vortiċi—fejn il-mument manjetiku jipponta direttament 'il ġewwa jew 'il barra mill-pjan tal-materjal.
“Meta napplikaw kamp manjetiku, aktar u aktar minn dawn id-dominji se jippuntaw fl-istess direzzjoni,” jgħid Folven. “Jistgħu jikbru u jistgħu jiċkienu, u mbagħad jistgħu jingħaqdu ma’ xulxin.”
Elettroni kważi bil-veloċità tad-dawl
Li tara dan iseħħ mhuwiex faċli. Ir-riċerkaturi ħadu l-mikrokalamiti tagħhom lejn sinkrotron forma ta’ donut b’wisa’ ta’ 80m, magħruf bħala BESSY II, f’Berlin, fejn l-elettroni jiġu aċċellerati sakemm jivvjaġġaw kważi bil-veloċità tad-dawl. Dawk l-elettroni li jiċċaqalqu malajr imbagħad jarmu raġġi-X estremament qawwijin.
“Nieħdu dawn ir-raġġi-X u nużawhom bħala d-dawl fil-mikroskopju tagħna,” jgħid Folven.
Minħabba li l-elettroni jivvjaġġaw madwar is-sinkrotron fi gruppi separati b'żewġ nanosekondi, ir-raġġi-X li jarmu jiġu f'impulsi preċiżi.
Mikroskopju ta' skennjar bi trasmissjoni ta' raġġi-X, jew STXM, jieħu dawk ir-raġġi-X biex joħloq stampa tal-istruttura manjetika tal-materjal. Billi jgħaqqdu dawn ir-ritratti flimkien, ir-riċerkaturi jistgħu essenzjalment joħolqu film li juri kif il-mikromanjet jinbidel maż-żmien.
Bl-għajnuna tal-STXM, Folven u l-kollegi tiegħu disturbaw il-mikrokalamiti tagħhom b'impuls ta' kurrent li ġġenera kamp manjetiku, u raw id-dominji jibdlu l-forma u l-qalba tal-vortiċi tiċċaqlaq miċ-ċentru.
“Għandek kalamita żgħira ħafna, u mbagħad titfagħha u tipprova tieħu immaġni tagħha hekk kif terġa’ toqgħod,” jgħid. Wara, raw il-qalba terġa’ lura fin-nofs—iżda tul mogħdija mdawwra, mhux linja dritta.
“Se jiżfen lura lejn iċ-ċentru,” jgħid Folven.
Żlieq wieħed u spiċċa kollox
Dan għaliex jistudjaw materjali epitassjali, li jinħolqu fuq sottostrat li jippermetti lir-riċerkaturi jaġġustaw il-proprjetajiet tal-materjal, iżda jimblokka r-raġġi-X f'STXM.
Waqt li ħadmu fin-NTNU NanoLab, ir-riċerkaturi solvew il-problema tas-sottostrat billi difnu l-mikromagnet tagħhom taħt saff ta' karbonju biex jipproteġu l-proprjetajiet manjetiċi tiegħu.
Imbagħad neħħew bir-reqqa u b'mod preċiż is-sottostrat ta' taħt b'raġġ iffukat ta' joni tal-gallju sakemm baqa' biss saff irqiq ħafna. Il-proċess bir-reqqa seta' jieħu tmien sigħat għal kull kampjun—u żball wieħed seta' jwassal għal diżastru.
“Il-ħaġa kruċjali hija li, jekk toqtol il-manjetiżmu, ma nkunux nafu dan qabel ma noqogħdu f’Berlin,” jgħid. “Is-sigriet, naturalment, hu li ġġib aktar minn kampjun wieħed.”
Mill-fiżika fundamentali għall-apparati tal-futur
Fortunatament ħadem, u t-tim uża l-kampjuni ppreparati bir-reqqa tagħhom biex ifassal kif id-dominji tal-mikromanjet jikbru u jiċkienu maż-żmien. Huma ħolqu wkoll simulazzjonijiet bil-kompjuter biex jifhmu aħjar liema forzi kienu qed jaħdmu.
Minbarra li navvanzaw l-għarfien tagħna tal-fiżika fundamentali, il-fehim ta' kif jaħdem il-manjetiżmu f'dawn l-iskali ta' tul u żmien jista' jkun ta' għajnuna fil-ħolqien ta' apparati futuri.
Il-manjetiżmu diġà jintuża għall-ħażna tad-dejta, iżda r-riċerkaturi bħalissa qed ifittxu modi kif jisfruttawh aktar. L-orjentazzjonijiet manjetiċi tal-qalba vortiċi u d-dominji ta' mikromanjet, pereżempju, jistgħu forsi jintużaw biex jikkodifikaw informazzjoni fil-forma ta' 0s u 1s.
Ir-riċerkaturi issa qed jimmiraw li jirrepetu dan ix-xogħol b'materjali antiferromanjetiċi, fejn l-effett nett tal-mumenti manjetiċi individwali jikkanċella. Dawn huma promettenti fejn jidħol il-kompjuters—fit-teorija, materjali antiferromanjetiċi jistgħu jintużaw biex isiru apparati li jeħtieġu ftit enerġija u jibqgħu stabbli anke meta tintilef l-enerġija—iżda huma ħafna aktar diffiċli biex jiġu investigati għaliex is-sinjali li jipproduċu jkunu ħafna aktar dgħajfa.
Minkejja dik l-isfida, Folven huwa ottimist. “Għattilna l-ewwel pass billi wrejna li nistgħu nagħmlu kampjuni u nħarsu lejhom bir-raġġi-X,” jgħid. “Il-pass li jmiss se jkun li naraw jekk nistgħux nagħmlu kampjuni ta’ kwalità għolja biżżejjed biex niksbu biżżejjed sinjal minn materjal antiferromagnetiku.”
Ħin tal-posta: 10 ta' Mejju 2021