วิธีใหม่ในการดูการทำงานภายในของแม่เหล็กขนาดเล็ก

นักวิจัยจาก NTNU กำลังศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับวัสดุแม่เหล็กในระดับขนาดเล็กโดยการสร้างภาพยนตร์ด้วยความช่วยเหลือของรังสีเอกซ์ที่สว่างมากบางชนิด

เอริก โฟลเวน ผู้อำนวยการร่วมกลุ่มอิเล็กทรอนิกส์ออกไซด์ ภาควิชาระบบอิเล็กทรอนิกส์ มหาวิทยาลัยนอร์ทเทิร์นออสเตรเลีย (NTNU) และเพื่อนร่วมงานจากมหาวิทยาลัยนอร์ทเทิร์นออสเตรเลียและมหาวิทยาลัยเกนต์ในเบลเยียม ร่วมกันศึกษาการเปลี่ยนแปลงของไมโครแมกเน็ตแบบฟิล์มบางเมื่อถูกรบกวนจากสนามแม่เหล็กภายนอก งานวิจัยนี้ได้รับทุนสนับสนุนบางส่วนจากมหาวิทยาลัยนอร์ทเทิร์นออสเตรเลีย (NTNU Nano) และสภาวิจัยแห่งนอร์เวย์ และได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Research

แม่เหล็กจิ๋ว

Einar Standal Digernes เป็นผู้ประดิษฐ์แม่เหล็กสี่เหลี่ยมขนาดเล็กที่ใช้ในการทดลอง

แม่เหล็กสี่เหลี่ยมจิ๋วที่สร้างขึ้นโดย Einar Standal Digernes นักศึกษาปริญญาเอกจาก NTNU มีความกว้างเพียง 2 ไมโครเมตรและแบ่งออกเป็นโดเมนสามเหลี่ยม 4 โดเมน โดยแต่ละโดเมนมีทิศทางแม่เหล็กที่แตกต่างกัน โดยชี้ไปรอบแม่เหล็กตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา

ในวัสดุแม่เหล็กบางชนิด กลุ่มอะตอมที่เล็กกว่าจะรวมตัวกันเป็นบริเวณที่เรียกว่าโดเมน โดยอิเล็กตรอนทั้งหมดจะมีทิศทางแม่เหล็กเหมือนกัน

ในแม่เหล็ก NTNU โดเมนเหล่านี้จะพบกันที่จุดศูนย์กลาง ซึ่งก็คือแกนของกระแสน้ำวน โดยที่โมเมนต์แม่เหล็กจะชี้เข้าหรือออกจากระนาบของวัสดุโดยตรง

“เมื่อเราใช้สนามแม่เหล็ก โดเมนเหล่านี้ก็จะชี้ไปในทิศทางเดียวกันมากขึ้นเรื่อยๆ” ฟอลเวนกล่าว “พวกมันสามารถเติบโตและหดตัวลงได้ จากนั้นพวกมันก็จะรวมเข้าด้วยกันได้”

อิเล็กตรอนเกือบจะเร็วเท่าแสง

การได้เห็นสิ่งนี้เกิดขึ้นไม่ใช่เรื่องง่าย นักวิจัยนำไมโครแมกเน็ตของพวกเขาไปยังซินโครตรอนรูปโดนัทกว้าง 80 เมตร หรือที่รู้จักกันในชื่อ BESSY II ในกรุงเบอร์ลิน ซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกเร่งความเร็วจนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง จากนั้นอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วเหล่านี้จะปล่อยรังสีเอกซ์ที่สว่างมากออกมา

“เราใช้รังสีเอกซ์เหล่านี้และใช้เป็นแสงในกล้องจุลทรรศน์ของเรา” ฟอลเวนกล่าว

เนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ ซินโครตรอนเป็นกลุ่มๆ โดยมีระยะห่างกัน 2 นาโนวินาที รังสีเอกซ์ที่ปล่อยออกมาจึงเป็นพัลส์ที่แม่นยำ

กล้องจุลทรรศน์เอกซ์เรย์แบบสแกนส่งผ่าน หรือ STXM จะนำรังสีเอกซ์เหล่านั้นมาสร้างภาพสแน็ปช็อตของโครงสร้างแม่เหล็กของวัสดุ นักวิจัยสามารถสร้างภาพยนตร์ที่แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของไมโครแม่เหล็กเมื่อเวลาผ่านไปได้โดยการต่อภาพสแน็ปช็อตเหล่านี้เข้าด้วยกัน

ด้วยความช่วยเหลือของ STXM Folven และเพื่อนร่วมงานของเขาได้รบกวนไมโครแม่เหล็กของพวกเขาด้วยกระแสไฟฟ้าพัลส์ที่สร้างสนามแม่เหล็ก และพบว่าโดเมนเปลี่ยนรูปร่างและแกนของกระแสน้ำวนเคลื่อนตัวจากจุดศูนย์กลาง

“คุณมีแม่เหล็กขนาดเล็กมาก แล้วคุณก็จิ้มมันและลองนึกภาพมันขณะที่มันยุบตัวลงอีกครั้ง” เขากล่าว หลังจากนั้น พวกเขาเห็นแกนกลางกลับมาอยู่ตรงกลาง แต่เป็นเส้นทางที่คดเคี้ยว ไม่ใช่เส้นตรง

“มันจะเต้นกลับมาที่ศูนย์กลาง” ฟอลเวนกล่าว

พลาดครั้งเดียวก็จบ

นั่นเป็นเพราะพวกเขาศึกษาเกี่ยวกับวัสดุเอพิแทกเซียล ซึ่งถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวที่ทำให้ผู้วิจัยสามารถปรับแต่งคุณสมบัติของวัสดุได้ แต่จะปิดกั้นรังสีเอกซ์ใน STXM

นักวิจัยที่ NTNU NanoLab แก้ปัญหาพื้นผิวโดยการฝังไมโครแมกเน็ตไว้ใต้ชั้นคาร์บอนเพื่อปกป้องคุณสมบัติทางแม่เหล็กของมัน

จากนั้นพวกเขาจึงสกัดสารตั้งต้นด้านล่างออกอย่างระมัดระวังและแม่นยำด้วยลำแสงแกลเลียมไอออนที่พุ่งตรงไปยังพื้นผิว จนกระทั่งเหลือเพียงชั้นบางๆ เท่านั้น กระบวนการอันแสนสาหัสนี้อาจใช้เวลานานถึงแปดชั่วโมงต่อตัวอย่างหนึ่ง และหากพลาดเพียงครั้งเดียวก็อาจนำไปสู่หายนะได้

“สิ่งสำคัญคือ ถ้าคุณทำลายแม่เหล็ก เราจะไม่รู้เรื่องนี้จนกว่าจะได้ไปนั่งที่เบอร์ลิน” เขากล่าว “แน่นอนว่าเคล็ดลับคือต้องนำตัวอย่างมามากกว่าหนึ่งชิ้น”

จากฟิสิกส์พื้นฐานสู่อุปกรณ์แห่งอนาคต

โชคดีที่มันได้ผล และทีมงานได้ใช้ตัวอย่างที่เตรียมไว้อย่างระมัดระวังเพื่อบันทึกว่าโดเมนของไมโครแมกเน็ตเติบโตและหดตัวอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป พวกเขายังสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อให้เข้าใจแรงที่กระทำได้ดีขึ้น

นอกจากการพัฒนาความรู้ทางฟิสิกส์พื้นฐานแล้ว การทำความเข้าใจว่าแม่เหล็กทำงานอย่างไรในช่วงความยาวและช่วงเวลาเหล่านี้อาจเป็นประโยชน์ในการสร้างอุปกรณ์ในอนาคต

แม่เหล็กถูกนำมาใช้ในการจัดเก็บข้อมูลอยู่แล้ว แต่ปัจจุบันนักวิจัยกำลังมองหาวิธีที่จะใช้ประโยชน์จากมันต่อไป ยกตัวอย่างเช่น การวางแนวแม่เหล็กของแกนวอร์เท็กซ์และโดเมนของไมโครแมกเน็ต อาจถูกนำมาใช้เพื่อเข้ารหัสข้อมูลในรูปแบบ 0 และ 1

ขณะนี้นักวิจัยกำลังตั้งเป้าที่จะทำซ้ำงานวิจัยนี้ด้วยวัสดุต้านแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติก ซึ่งผลกระทบสุทธิของโมเมนต์แม่เหล็กแต่ละโมเมนต์จะถูกหักล้างกัน วัสดุเหล่านี้มีแนวโน้มที่ดีในด้านการประมวลผล ในทางทฤษฎี วัสดุต้านแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกสามารถนำมาใช้ผลิตอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานน้อยและยังคงเสถียรแม้ในยามที่ไฟฟ้าดับ แต่การตรวจสอบนั้นยากกว่ามาก เพราะสัญญาณที่วัสดุเหล่านี้ผลิตออกมาจะอ่อนกว่ามาก

แม้จะมีความท้าทายดังกล่าว แต่โฟลเวนก็ยังคงมองโลกในแง่ดี “เราได้ครอบคลุมประเด็นแรกแล้วโดยแสดงให้เห็นว่าเราสามารถผลิตตัวอย่างและตรวจสอบด้วยรังสีเอกซ์ได้” เขากล่าว “ขั้นตอนต่อไปคือการดูว่าเราจะสามารถสร้างตัวอย่างที่มีคุณภาพสูงเพียงพอที่จะรับสัญญาณจากวัสดุต้านแม่เหล็กได้เพียงพอหรือไม่”