Cercetătorii de la NTNU fac lumină asupra materialelor magnetice la scară mică, creând filme cu ajutorul unor raze X extrem de luminoase.
Erik Folven, codirector al grupului de electronică cu oxid din cadrul Departamentului de Sisteme Electronice al NTNU, și colegii săi de la NTNU și Universitatea din Ghent din Belgia au pornit să vadă cum se schimbă micromagneții cu peliculă subțire atunci când sunt perturbați de un câmp magnetic exterior. Lucrarea, finanțată parțial de NTNU Nano și Consiliul de Cercetare din Norvegia, a fost publicată în revista Physical Review Research.
Magneți mici
Einar Standal Digernes a inventat micii magneți pătrați folosiți în experimente.
Micii magneți pătrați, creați de candidatul la doctorat la NTNU, Einar Standal Digernes, au o lățime de doar doi micrometri și sunt împărțiți în patru domenii triunghiulare, fiecare cu o orientare magnetică diferită, în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic, în jurul magneților.
În anumite materiale magnetice, grupuri mai mici de atomi se formează în zone numite domenii, în care toți electronii au aceeași orientare magnetică.
În magneții NTNU, aceste domenii se întâlnesc într-un punct central - miezul vortex - unde momentul magnetic indică direct în interiorul sau în afara planului materialului.
„Când aplicăm un câmp magnetic, tot mai multe dintre aceste domenii vor indica aceeași direcție”, spune Folven. „Acestea pot crește, se pot micșora și apoi se pot contopi unele cu altele.”
Electroni aproape la viteza luminii
A vedea acest lucru întâmplându-se nu este ușor. Cercetătorii și-au dus micromagneții la un sincrotron în formă de gogoașă, cu lățimea de 80 m, cunoscut sub numele de BESSY II, din Berlin, unde electronii sunt accelerați până când călătoresc aproape cu viteza luminii. Acei electroni care se mișcă rapid emit apoi raze X extrem de strălucitoare.
„Luăm aceste raze X și le folosim ca lumină în microscopul nostru”, spune Folven.
Deoarece electronii se deplasează în jurul sincrotronului în fascicule separate de două nanosecunde, razele X pe care le emit vin în impulsuri precise.
Un microscop cu raze X cu scanare și transmisie, sau STXM, preia aceste raze X pentru a crea o imagine a structurii magnetice a materialului. Prin îmbinarea acestor imagini, cercetătorii pot crea, practic, un film care arată cum se schimbă micromagnetul în timp.
Cu ajutorul STXM, Folven și colegii săi și-au perturbat micromagneții cu un impuls de curent care a generat un câmp magnetic și au observat cum domeniile își schimbă forma și miezul vortexului se deplasează din centru.
„Ai un magnet foarte mic, apoi îl înțepi și încerci să-l imaginezi în timp ce se așază din nou”, spune el. Ulterior, au văzut miezul revenind la mijloc - dar pe o traiectorie șerpuitoare, nu pe o linie dreaptă.
„Va dansa cumva înapoi spre centru”, spune Folven.
O singură alunecare și s-a terminat
Asta pentru că ei studiază materiale epitaxiale, care sunt create deasupra unui substrat ce permite cercetătorilor să modifice proprietățile materialului, dar ar bloca razele X într-un STXM.
Lucrând în cadrul NTNU NanoLab, cercetătorii au rezolvat problema substratului prin îngroparea micromagnetului sub un strat de carbon pentru a-i proteja proprietățile magnetice.
Apoi au cioplit cu grijă și precizie substratul de dedesubt cu un fascicul concentrat de ioni de galiu, până când a rămas doar un strat foarte subțire. Procesul minuțios putea dura opt ore per probă - iar o singură greșeală putea însemna un dezastru.
„Cel mai important lucru este că, dacă omori magnetismul, nu vom ști asta înainte să stăm la Berlin”, spune el. „Trucul este, desigur, să aduci mai mult de o mostră.”
De la fizica fundamentală la dispozitivele viitorului
Din fericire, a funcționat, iar echipa a folosit mostrele pregătite cu grijă pentru a reprezenta grafic modul în care domeniile micromagnetului cresc și se micșorează în timp. De asemenea, au creat simulări pe computer pentru a înțelege mai bine ce forțe erau la lucru.
Pe lângă avansarea cunoștințelor noastre despre fizica fundamentală, înțelegerea modului în care funcționează magnetismul la aceste scale de lungime și timp ar putea fi utilă în crearea de dispozitive viitoare.
Magnetismul este deja utilizat pentru stocarea datelor, dar cercetătorii caută în prezent modalități de a-l exploata în continuare. Orientările magnetice ale miezului vortex și domeniile unui micromagnet, de exemplu, ar putea fi folosite pentru a codifica informații sub formă de 0 și 1.
Cercetătorii își propun acum să repete această lucrare cu materiale antiferomagnetice, unde efectul net al momentelor magnetice individuale se anulează. Acestea sunt promițătoare în domeniul informaticii - în teorie, materialele antiferomagnetice ar putea fi folosite pentru a realiza dispozitive care necesită puțină energie și rămân stabile chiar și atunci când se întrerupe alimentarea - dar sunt mult mai dificil de investigat, deoarece semnalele pe care le produc vor fi mult mai slabe.
În ciuda acestei provocări, Folven este optimist. „Am acoperit primul obiectiv demonstrând că putem realiza mostre și le putem examina cu raze X”, spune el. „Următorul pas va fi să vedem dacă putem realiza mostre de o calitate suficient de înaltă pentru a obține un semnal suficient de puternic de la un material antiferomagnetic.”
Data publicării: 10 mai 2021