Raziskovalci iz NTNU osvetljujejo magnetne materiale v majhnih merilih z ustvarjanjem filmov s pomočjo nekaterih izjemno svetlih rentgenskih žarkov.
Erik Folven, so-direktor skupine za oksidno elektroniko na Oddelku za elektronske sisteme NTNU, in kolegi iz NTNU in univerze Ghent v Belgiji so se odločili videti, kako se tankoplastni mikromagneti spremenijo, ko jih moti zunanje magnetno polje.Delo, ki sta ga delno financirala NTNU Nano in Raziskovalni svet Norveške, je bilo objavljeno v reviji Physical Review Research.
Majhni magneti
Einar Standal Digernes je izumil majhne kvadratne magnete, uporabljene v poskusih.
Drobni kvadratni magneti, ki jih je ustvaril NTNU Ph.D.kandidat Einar Standal Digernes, so široki le dva mikrometra in razdeljeni na štiri trikotne domene, od katerih ima vsaka drugačno magnetno usmeritev, ki kaže v smeri urinega kazalca ali nasprotni smeri urinega kazalca okoli magnetov.
V nekaterih magnetnih materialih se manjše skupine atomov povezujejo v območja, imenovana domene, v katerih imajo vsi elektroni enako magnetno usmerjenost.
V magnetih NTNU se te domene srečajo v osrednji točki – vrtinčnem jedru – kjer magnetni moment kaže neposredno v ali izven ravnine materiala.
"Ko uporabimo magnetno polje, bo vse več teh domen kazalo v isto smer," pravi Folven."Lahko rastejo in se lahko skrčijo, nato pa se lahko zlijejo drug v drugega."
Elektroni skoraj s svetlobno hitrostjo
Videti, da se to zgodi, ni enostavno.Raziskovalci so svoje mikromagnete odnesli na 80 m širok sinhrotron v obliki krofa, znan kot BESSY II, v Berlinu, kjer se elektroni pospešujejo, dokler ne potujejo s skoraj svetlobno hitrostjo.Ti hitro premikajoči se elektroni nato oddajajo izjemno svetle rentgenske žarke.
»Vzamemo te rentgenske žarke in jih uporabimo kot svetlobo v našem mikroskopu,« pravi Folven.
Ker elektroni potujejo okoli sinhrotrona v šopkih, ločenih z dvema nanosekundama, prihajajo rentgenski žarki, ki jih oddajajo, v natančnih impulzih.
Rentgenski mikroskop s transmisijo ali STXM posname te rentgenske žarke, da ustvari posnetek magnetne strukture materiala.S sestavljanjem teh posnetkov lahko raziskovalci ustvarijo film, ki prikazuje, kako se mikromagnet spreminja skozi čas.
S pomočjo STXM so Folven in njegovi kolegi zmotili svoje mikromagnete s tokovnim impulzom, ki je ustvaril magnetno polje, in videli, kako so domene spremenile obliko in vrtinčno jedro premaknilo iz središča.
"Imate zelo majhen magnet, nato pa ga potisnete in ga poskušate prikazati, ko se spet usede," pravi.Nato so videli, da se jedro vrne na sredino - vendar po vijugasti poti, ne po ravni črti.
"Nekako bo plesal nazaj v sredino," pravi Folven.
En spodrsljaj in konec
To je zato, ker preučujejo epitaksialne materiale, ki so ustvarjeni na vrhu substrata, ki raziskovalcem omogoča prilagajanje lastnosti materiala, vendar bi blokiral rentgenske žarke v STXM.
Raziskovalci, ki so delali v NTNU NanoLab, so rešili problem substrata tako, da so svoj mikromagnet zakopali pod plast ogljika, da bi zaščitili njegove magnetne lastnosti.
Nato so skrbno in natančno odrezali podlago pod njim z usmerjenim žarkom galijevih ionov, dokler ni ostala le zelo tanka plast.Mukotrpen postopek bi lahko trajal osem ur na vzorec – en spodrsljaj pa bi lahko pomenil katastrofo.
"Kritično je, da če ubijete magnetizem, tega ne bomo vedeli, preden sedemo v Berlinu," pravi."Trik je seveda v tem, da prineseš več kot en vzorec."
Od temeljne fizike do naprav prihodnosti
Na srečo je delovalo in ekipa je uporabila svoje skrbno pripravljene vzorce, da bi prikazala, kako se domene mikromagneta sčasoma povečujejo in krčijo.Ustvarili so tudi računalniške simulacije, da bi bolje razumeli, katere sile so delovale.
Razumevanje, kako deluje magnetizem na teh dolžinah in časovnih lestvicah, bi lahko poleg napredovanja našega znanja o temeljni fiziki pomagalo pri ustvarjanju prihodnjih naprav.
Magnetizem se že uporablja za shranjevanje podatkov, vendar raziskovalci trenutno iščejo načine, kako bi ga še naprej izkoriščali.Magnetne usmeritve vrtinčnega jedra in domen mikromagneta bi na primer lahko uporabili za kodiranje informacij v obliki 0 in 1.
Raziskovalci zdaj nameravajo to delo ponoviti z antiferomagnetnimi materiali, kjer se neto učinek posameznih magnetnih momentov izniči.Ti so obetavni, ko gre za računalništvo – v teoriji bi lahko antiferomagnetne materiale uporabili za izdelavo naprav, ki potrebujejo malo energije in ostanejo stabilne tudi ob izpadu električne energije – vendar jih je veliko težje raziskati, ker bodo signali, ki jih proizvajajo, veliko šibkejši. .
Kljub temu izzivu je Folven optimističen."Prvo smo pokrili tako, da smo pokazali, da lahko naredimo vzorce in jih pregledamo z rentgenskimi žarki," pravi."Naslednji korak bo ugotoviti, ali lahko naredimo vzorce dovolj visoke kakovosti, da dobimo dovolj signala iz antiferomagnetnega materiala."
Čas objave: 10. maj 2021