Pesquisadores da NTNU estão lançando luz sobre materiais magnéticos em pequenas escalas, criando filmes com a ajuda de raios X extremamente brilhantes.
Erik Folven, codiretor do grupo de eletrônica de óxido do Departamento de Sistemas Eletrônicos da NTNU, e colegas da NTNU e da Universidade de Ghent, na Bélgica, decidiram ver como os microímãs de película fina mudam quando perturbados por um campo magnético externo.O trabalho, parcialmente financiado pela NTNU Nano e pelo Conselho de Pesquisa da Noruega, foi publicado na revista Physical Review Research.
Ímãs minúsculos
Einar Standal Digernes inventou os minúsculos ímãs quadrados usados nos experimentos.
Os minúsculos ímãs quadrados, criados por NTNU Ph.D.candidato Einar Standal Digernes, têm apenas dois micrômetros de largura e são divididos em quatro domínios triangulares, cada um com uma orientação magnética diferente apontando no sentido horário ou anti-horário ao redor dos ímãs.
Em certos materiais magnéticos, grupos menores de átomos unem-se em áreas chamadas domínios, nas quais todos os elétrons têm a mesma orientação magnética.
Nos ímãs NTNU, esses domínios se encontram em um ponto central – o núcleo do vórtice – onde o momento magnético aponta diretamente para dentro ou para fora do plano do material.
“Quando aplicamos um campo magnético, mais e mais destes domínios apontarão na mesma direção”, diz Folven.“Eles podem crescer e encolher, e então podem se fundir.”
Elétrons quase na velocidade da luz
Ver isso acontecer não é fácil.Os pesquisadores levaram seus microímãs para um síncrotron em forma de donut de 80 m de largura, conhecido como BESSY II, em Berlim, onde os elétrons são acelerados até viajarem quase à velocidade da luz.Esses elétrons que se movem rapidamente emitem raios X extremamente brilhantes.
“Pegamos esses raios X e os usamos como luz em nosso microscópio”, diz Folven.
Como os elétrons viajam ao redor do síncrotron em grupos separados por dois nanossegundos, os raios X que eles emitem vêm em pulsos precisos.
Um microscópio de transmissão de raios X de varredura, ou STXM, capta esses raios X para criar um instantâneo da estrutura magnética do material.Ao juntar esses instantâneos, os pesquisadores podem essencialmente criar um filme mostrando como o microímã muda ao longo do tempo.
Com a ajuda do STXM, Folven e seus colegas perturbaram seus microímãs com um pulso de corrente que gerou um campo magnético e viram os domínios mudarem de forma e o núcleo do vórtice se mover do centro.
“Você tem um ímã muito pequeno e, em seguida, cutuca-o e tenta imaginá-lo enquanto ele se assenta novamente”, diz ele.Depois, eles viram o núcleo retornar ao meio – mas ao longo de um caminho sinuoso, não em linha reta.
“Será uma espécie de dança de volta ao centro”, diz Folven.
Um deslize e acabou
Isso porque eles estudam materiais epitaxiais, que são criados em cima de um substrato que permite aos pesquisadores ajustar as propriedades do material, mas bloquearia os raios X em um STXM.
Trabalhando no NTNU NanoLab, os pesquisadores resolveram o problema do substrato enterrando seu microímã sob uma camada de carbono para proteger suas propriedades magnéticas.
Em seguida, eles removeram com cuidado e precisão o substrato por baixo com um feixe focado de íons de gálio até restar apenas uma camada muito fina.O meticuloso processo pode levar oito horas por amostra – e um deslize pode significar um desastre.
“O ponto crítico é que, se eliminarmos o magnetismo, não saberemos disso antes de nos sentarmos em Berlim”, diz ele.“O truque é, claro, trazer mais de uma amostra.”
Da física fundamental aos dispositivos futuros
Felizmente funcionou, e a equipe usou amostras cuidadosamente preparadas para mapear como os domínios do microímã crescem e diminuem ao longo do tempo.Eles também criaram simulações de computador para entender melhor quais forças estavam em ação.
Além de avançar nosso conhecimento da física fundamental, compreender como o magnetismo funciona nessas escalas de comprimento e tempo pode ser útil na criação de dispositivos futuros.
O magnetismo já é usado para armazenamento de dados, mas os pesquisadores estão atualmente procurando maneiras de explorá-lo ainda mais.As orientações magnéticas do núcleo do vórtice e dos domínios de um microímã, por exemplo, talvez pudessem ser usadas para codificar informações na forma de 0s e 1s.
Os investigadores pretendem agora repetir este trabalho com materiais antiferromagnéticos, onde o efeito líquido dos momentos magnéticos individuais se anula.Estes são promissores quando se trata de computação – em teoria, materiais antiferromagnéticos poderiam ser usados para fabricar dispositivos que requerem pouca energia e permanecem estáveis mesmo quando há falta de energia – mas muito mais complicados de investigar porque os sinais que produzem serão muito mais fracos. .
Apesar desse desafio, Folven está otimista.“Cobrimos o primeiro terreno ao mostrar que podemos fazer amostras e observá-las com raios X”, diz ele.“O próximo passo será ver se podemos fazer amostras de qualidade suficientemente alta para obter sinal suficiente de um material antiferromagnético.”
Horário da postagem: 10 de maio de 2021