Výskumníci z NTNU vrhajú svetlo na magnetické materiály v malých mierkach vytváraním filmov pomocou niektorých extrémne jasných röntgenových lúčov.
Erik Folven, spoluriaditeľ skupiny oxidovej elektroniky na Katedre elektronických systémov NTNU, a kolegovia z NTNU a Gent University v Belgicku sa rozhodli zistiť, ako sa tenkovrstvové mikromagnety menia, keď sú narušené vonkajším magnetickým poľom.Práca, čiastočne financovaná NTNU Nano a výskumnou radou Nórska, bola publikovaná v časopise Physical Review Research.
Drobné magnety
Einar Standal Digernes vynašiel malé štvorcové magnety používané pri experimentoch.
Malé štvorcové magnety vytvorené NTNU Ph.D.kandidát Einar Standal Digernes, sú široké len dva mikrometre a sú rozdelené do štyroch trojuholníkových domén, z ktorých každá má inú magnetickú orientáciu smerujúcu v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek okolo magnetov.
V určitých magnetických materiáloch sa menšie skupiny atómov spájajú do oblastí nazývaných domény, v ktorých majú všetky elektróny rovnakú magnetickú orientáciu.
V magnetoch NTNU sa tieto domény stretávajú v centrálnom bode – vírovom jadre – kde magnetický moment smeruje priamo do alebo mimo rovinu materiálu.
"Keď aplikujeme magnetické pole, stále viac a viac týchto domén bude ukazovať rovnakým smerom, " hovorí Folven."Môžu rásť a môžu sa zmenšovať a potom môžu splynúť jeden do druhého."
Elektróny takmer rýchlosťou svetla
Vidieť, ako sa to deje, nie je ľahké.Výskumníci vzali svoje mikromagnety na 80 m široký synchrotrón v tvare šišky, známy ako BESSY II, v Berlíne, kde sa elektróny zrýchľujú, až sa pohybujú takmer rýchlosťou svetla.Tieto rýchlo sa pohybujúce elektróny potom vyžarujú extrémne jasné röntgenové lúče.
"Zoberieme tieto röntgenové lúče a použijeme ich ako svetlo v našom mikroskope," hovorí Folven.
Pretože elektróny cestujú okolo synchrotrónu vo zväzkoch oddelených dvoma nanosekundami, röntgenové lúče, ktoré vyžarujú, prichádzajú v presných impulzoch.
Skenovací transmisný röntgenový mikroskop alebo STXM zoberie tieto röntgenové lúče na vytvorenie snímky magnetickej štruktúry materiálu.Spojením týchto snímok môžu výskumníci v podstate vytvoriť film, ktorý ukazuje, ako sa mikromagnet mení v priebehu času.
S pomocou STXM Folven a jeho kolegovia narušili svoje mikromagnety impulzom prúdu, ktorý generoval magnetické pole, a videli, ako domény menia tvar a vírové jadro sa pohybuje od stredu.
"Máte veľmi malý magnet a potom doň strčíte a snažíte sa ho predstaviť, ako sa znova usadí," hovorí.Potom videli, ako sa jadro vracia do stredu – ale po kľukatej ceste, nie po priamke.
"Bude to trochu tancovať späť do stredu," hovorí Folven.
Jedno pošmyknutie a je koniec
Je to preto, že študujú epitaxné materiály, ktoré sú vytvorené na vrchu substrátu, ktorý umožňuje výskumníkom vyladiť vlastnosti materiálu, ale blokuje röntgenové lúče v STXM.
Výskumníci pracujúci v NTNU NanoLab vyriešili problém so substrátom pochovaním svojho mikromagnetu pod vrstvou uhlíka, aby chránili jeho magnetické vlastnosti.
Potom opatrne a presne odštiepili substrát pod ním sústredeným lúčom iónov gália, až kým nezostala len veľmi tenká vrstva.Namáhavý proces by mohol trvať osem hodín na jednu vzorku – a jedno pošmyknutie by mohlo znamenať katastrofu.
"Kritické je, že ak zabijete magnetizmus, nebudeme to vedieť skôr, ako budeme sedieť v Berlíne," hovorí."Trik je, samozrejme, priniesť viac ako jednu vzorku."
Od základnej fyziky k budúcim zariadeniam
Našťastie to fungovalo a tím použil svoje starostlivo pripravené vzorky na zmapovanie toho, ako domény mikromagnetu časom rastú a zmenšujú.Vytvorili tiež počítačové simulácie, aby lepšie pochopili, aké sily pôsobia.
Pri vytváraní budúcich zariadení môže byť užitočné nielen prehĺbenie našich vedomostí o základnej fyzike, ale aj pochopenie toho, ako magnetizmus funguje v týchto dĺžkach a časových mierkach.
Magnetizmus sa už používa na ukladanie dát, no výskumníci v súčasnosti hľadajú spôsoby, ako ho ďalej využiť.Magnetické orientácie vírového jadra a domén mikromagnetu by sa napríklad mohli použiť na kódovanie informácií vo forme 0 a 1.
Výskumníci sa teraz snažia zopakovať túto prácu s antiferomagnetickými materiálmi, kde sa čistý účinok jednotlivých magnetických momentov ruší.Tieto sú sľubné, pokiaľ ide o výpočtovú techniku – teoreticky by sa antiferomagnetické materiály mohli použiť na výrobu zariadení, ktoré vyžadujú málo energie a zostávajú stabilné, aj keď dôjde k strate energie – ale oveľa zložitejšie je skúmať, pretože signály, ktoré produkujú, budú oveľa slabšie. .
Napriek tejto výzve je Folven optimista."Pokryli sme prvú pôdu tým, že sme ukázali, že môžeme urobiť vzorky a prezrieť si ich pomocou röntgenových lúčov," hovorí."Ďalším krokom bude zistiť, či dokážeme vyrobiť vzorky dostatočne vysokej kvality na získanie dostatočného signálu z antiferomagnetického materiálu."
Čas odoslania: 10. máj 2021