Исследователи из NTNU проливают свет на магнитные материалы в небольших масштабах, создавая фильмы с помощью чрезвычайно ярких рентгеновских лучей.
Эрик Фолвен, содиректор группы оксидной электроники на факультете электронных систем NTNU, и коллеги из NTNU и Гентского университета в Бельгии решили посмотреть, как изменяются тонкопленочные микромагниты, когда на них воздействует внешнее магнитное поле.Работа, частично профинансированная NTNU Nano и Исследовательским советом Норвегии, была опубликована в журнале Physical Review Research.
Крошечные магниты
Эйнар Стандаль Дигернес изобрел крошечные квадратные магниты, используемые в экспериментах.
Крошечные квадратные магниты, созданные доктором философии NTNU.Кандидат Эйнар Стандаль Дигернес имеет ширину всего два микрометра и разделен на четыре треугольных домена, каждый из которых имеет разную магнитную ориентацию, направленную по часовой стрелке или против часовой стрелки вокруг магнитов.
В некоторых магнитных материалах меньшие группы атомов объединяются в области, называемые доменами, в которых все электроны имеют одинаковую магнитную ориентацию.
В магнитах NTNU эти домены встречаются в центральной точке — ядре вихря — где магнитный момент направлен непосредственно в плоскость материала или за ее пределы.
«Когда мы применяем магнитное поле, все больше и больше этих доменов будут указывать в одном направлении», — говорит Фолвен.«Они могут расти, могут сжиматься, а затем сливаться друг с другом».
Электроны почти со скоростью света
Видеть, как это происходит, непросто.Исследователи поместили свои микромагниты в синхротрон в форме пончика шириной 80 метров, известный как BESSY II, в Берлине, где электроны ускоряются до тех пор, пока не начинают двигаться почти со скоростью света.Эти быстро движущиеся электроны испускают чрезвычайно яркие рентгеновские лучи.
«Мы берем эти рентгеновские лучи и используем их в качестве света в нашем микроскопе», — говорит Фолвен.
Поскольку электроны движутся вокруг синхротрона сгустками, разделенными двумя наносекундами, рентгеновские лучи, которые они испускают, поступают точными импульсами.
Сканирующий трансмиссионный рентгеновский микроскоп, или STXM, использует эти рентгеновские лучи, чтобы создать снимок магнитной структуры материала.Сшивая эти снимки вместе, исследователи могут создать фильм, показывающий, как микромагнит меняется с течением времени.
С помощью STXM Фолвен и его коллеги воздействовали на микромагниты импульсом тока, создавшим магнитное поле, и увидели, как домены изменили форму, а ядро вихря переместилось из центра.
«У вас есть очень маленький магнит, а затем вы тыкаете в него и пытаетесь представить, как он снова стабилизируется», — говорит он.После этого они увидели, как ядро вернулось в середину, но по извилистой траектории, а не по прямой.
«Это будет своего рода танец обратно к центру», — говорит Фолвен.
Один промах и все кончено
Это потому, что они изучают эпитаксиальные материалы, которые создаются поверх подложки, что позволяет исследователям настраивать свойства материала, но блокирует рентгеновские лучи в STXM.
Работая в NTNU NanoLab, исследователи решили проблему подложки, поместив микромагнит под слой углерода, чтобы защитить его магнитные свойства.
Затем они аккуратно и точно скололи подложку сфокусированным лучом ионов галлия, пока не остался только очень тонкий слой.Кропотливый процесс может занять восемь часов на каждый образец, и одна ошибка может обернуться катастрофой.
«Крайнее всего то, что если вы убьете магнетизм, мы не узнаем этого до того, как сядем в Берлин», — говорит он.«Хитрость, конечно, в том, чтобы принести более одного образца».
От фундаментальной физики к устройствам будущего
К счастью, это сработало, и команда использовала тщательно подготовленные образцы, чтобы составить график того, как домены микромагнита растут и уменьшаются с течением времени.Они также создали компьютерное моделирование, чтобы лучше понять, какие силы действуют.
Помимо расширения наших знаний в области фундаментальной физики, понимание того, как работает магнетизм в таких масштабах длины и времени, может быть полезно при создании будущих устройств.
Магнетизм уже используется для хранения данных, но в настоящее время исследователи ищут способы его дальнейшего использования.Например, магнитные ориентации ядра вихря и доменов микромагнита можно было бы использовать для кодирования информации в форме нулей и единиц.
Сейчас исследователи стремятся повторить эту работу с антиферромагнитными материалами, где суммарный эффект отдельных магнитных моментов нивелируется.Они многообещающи, когда дело доходит до вычислений — теоретически антиферромагнитные материалы можно использовать для создания устройств, которые требуют мало энергии и остаются стабильными даже при потере питания — но их гораздо сложнее исследовать, потому что сигналы, которые они производят, будут намного слабее. .
Несмотря на эту проблему, Фолвен настроен оптимистично.«Мы прошли первый этап, показав, что можем брать образцы и просматривать их с помощью рентгеновских лучей», — говорит он.«Следующим шагом будет посмотреть, сможем ли мы сделать образцы достаточно высокого качества, чтобы получить достаточный сигнал от антиферромагнитного материала».
Время публикации: 10 мая 2021 г.