วิธีใหม่ในการศึกษาการทำงานภายในของแม่เหล็กขนาดเล็ก

นักวิจัยจาก NTNU กำลังไขปริศนาเกี่ยวกับวัสดุแม่เหล็กในระดับเล็ก ๆ โดยการสร้างภาพยนตร์ด้วยความช่วยเหลือจากรังสีเอ็กซ์ที่มีความสว่างสูงมาก

เอริก โฟลเวน ผู้อำนวยการร่วมของกลุ่มอิเล็กทรอนิกส์ออกไซด์ประจำภาควิชาระบบอิเล็กทรอนิกส์ มหาวิทยาลัยแห่งชาตินอร์เวย์ (NTNU) และเพื่อนร่วมงานจาก NTNU และมหาวิทยาลัยเกนต์ในเบลเยียม ได้ทำการศึกษาว่าไมโครแมกเนตแบบฟิล์มบางเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อถูกรบกวนด้วยสนามแม่เหล็กภายนอก งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนบางส่วนจาก NTNU Nano และสภาวิจัยแห่งนอร์เวย์ และได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Research

แม่เหล็กขนาดเล็ก

ไอนาร์ สแตนดาล ดิเกอร์เนส เป็นผู้ประดิษฐ์แม่เหล็กรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาดเล็กที่ใช้ในการทดลอง

แม่เหล็กรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาดจิ๋วที่สร้างขึ้นโดย ไอนาร์ สแตนดาล ดิเกอร์เนส นักศึกษาปริญญาเอกของ NTNU มีความกว้างเพียงสองไมโครเมตร และแบ่งออกเป็นสี่โดเมนรูปสามเหลี่ยม โดยแต่ละโดเมนมีทิศทางแม่เหล็กที่แตกต่างกัน ชี้ไปตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิการอบแม่เหล็ก

ในวัสดุแม่เหล็กบางชนิด กลุ่มอะตอมขนาดเล็กจะรวมตัวกันเป็นบริเวณที่เรียกว่าโดเมน ซึ่งอิเล็กตรอนทั้งหมดจะมีทิศทางแม่เหล็กไปในทิศทางเดียวกัน

ในแม่เหล็ก NTNU โดเมนเหล่านี้จะมาบรรจบกันที่จุดศูนย์กลาง ซึ่งก็คือแกนกระแสน้ำวน โดยที่โมเมนต์แม่เหล็กจะชี้ตรงเข้าไปในหรือออกจากระนาบของวัสดุ

“เมื่อเราใช้สนามแม่เหล็ก โดเมนเหล่านี้จะชี้ไปในทิศทางเดียวกันมากขึ้นเรื่อยๆ” ฟอลเวนกล่าว “พวกมันสามารถขยายตัวและหดตัวได้ จากนั้นก็สามารถรวมเข้าด้วยกันได้”

อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสง

การได้เห็นปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นไม่ใช่เรื่องง่าย นักวิจัยได้นำไมโครแมกเนตของพวกเขาไปยังเครื่องเร่งอนุภาคซินโครตรอนรูปทรงโดนัทขนาดกว้าง 80 เมตร ที่รู้จักกันในชื่อ BESSY II ในกรุงเบอร์ลิน ซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกเร่งความเร็วจนกระทั่งพวกมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกือบเท่าความเร็วแสง จากนั้นอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วเหล่านั้นจะปล่อยรังสีเอ็กซ์ที่สว่างมากออกมา

“เรานำภาพเอ็กซ์เรย์เหล่านี้มาใช้เป็นแสงในกล้องจุลทรรศน์ของเรา” ฟอลเวนกล่าว

เนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ ซินโครตรอนเป็นกลุ่มๆ โดยมีระยะห่างกันสองนาโนวินาที รังสีเอ็กซ์ที่พวกมันปล่อยออกมาจึงออกมาเป็นพัลส์ที่แม่นยำ

กล้องจุลทรรศน์เอกซเรย์แบบสแกนส่งผ่าน (STXM) จะนำรังสีเอกซ์เหล่านั้นมาสร้างภาพนิ่งของโครงสร้างแม่เหล็กของวัสดุ โดยการนำภาพนิ่งเหล่านี้มาต่อกัน นักวิจัยสามารถสร้างภาพยนตร์ที่แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงของไมโครแมกเนตเมื่อเวลาผ่านไปได้

ด้วยความช่วยเหลือของ STXM ฟอลเวนและเพื่อนร่วมงานได้รบกวนไมโครแมกเนตของพวกเขาด้วยพัลส์กระแสไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็ก และสังเกตเห็นว่าโดเมนเปลี่ยนรูปร่างและแกนกระแสน้ำวนเคลื่อนตัวออกจากจุดศูนย์กลาง

“คุณมีแม่เหล็กขนาดเล็กมาก จากนั้นคุณก็ใช้มือจิ้มมันและพยายามถ่ายภาพขณะที่มันค่อยๆ กลับสู่ตำแหน่งเดิม” เขากล่าว หลังจากนั้น พวกเขาก็เห็นแกนกลางกลับมาอยู่ตรงกลางอีกครั้ง แต่เป็นการเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่คดเคี้ยว ไม่ใช่เส้นตรง

“มันจะค่อยๆ กลับมาอยู่ตรงกลาง” ฟอลเวนกล่าว

พลาดไปนิดเดียวก็จบแล้ว

นั่นเป็นเพราะพวกเขาศึกษาวัสดุแบบเอพิแท็กเซียล ซึ่งสร้างขึ้นบนพื้นผิวที่ช่วยให้นักวิจัยสามารถปรับแต่งคุณสมบัติของวัสดุได้ แต่จะปิดกั้นรังสีเอ็กซ์ในเครื่อง STXM

นักวิจัยที่ทำงานใน NTNU NanoLab ได้แก้ปัญหาเรื่องพื้นผิวรองรับโดยการฝังไมโครแมกเนตไว้ใต้ชั้นคาร์บอนเพื่อปกป้องคุณสมบัติทางแม่เหล็กของมัน

จากนั้น พวกเขาค่อยๆ และอย่างแม่นยำค่อยๆ ขจัดพื้นผิวด้านล่างออกไปโดยใช้ลำแสงไอออนแกลเลียมที่โฟกัสอย่างแม่นยำ จนเหลือเพียงชั้นบางๆ เท่านั้น กระบวนการที่พิถีพิถันนี้อาจใช้เวลาถึงแปดชั่วโมงต่อตัวอย่าง และความผิดพลาดเพียงเล็กน้อยก็อาจนำมาซึ่งหายนะได้

“สิ่งสำคัญคือ ถ้าคุณทำลายแรงดึงดูดของแม่เหล็ก เราจะไม่รู้เรื่องนั้นจนกว่าเราจะไปถึงเบอร์ลิน” เขากล่าว “เคล็ดลับก็คือ เราต้องนำตัวอย่างมามากกว่าหนึ่งตัวอย่าง”

จากฟิสิกส์พื้นฐานสู่อุปกรณ์แห่งอนาคต

โชคดีที่มันได้ผล และทีมงานได้ใช้ตัวอย่างที่เตรียมไว้อย่างพิถีพิถันเพื่อบันทึกการขยายตัวและการหดตัวของโดเมนของไมโครแมกเนตเมื่อเวลาผ่านไป นอกจากนี้ พวกเขายังสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อทำความเข้าใจแรงที่เกิดขึ้นได้ดียิ่งขึ้น

นอกจากจะช่วยเพิ่มพูนความรู้เกี่ยวกับฟิสิกส์พื้นฐานแล้ว การทำความเข้าใจว่าแม่เหล็กทำงานอย่างไรในระดับความยาวและเวลาเหล่านี้ อาจเป็นประโยชน์ในการสร้างอุปกรณ์ในอนาคตได้อีกด้วย

ปัจจุบันมีการใช้แม่เหล็กในการจัดเก็บข้อมูลอยู่แล้ว แต่นักวิจัยกำลังมองหาวิธีที่จะใช้ประโยชน์จากมันให้มากขึ้น ตัวอย่างเช่น ทิศทางการจัดเรียงตัวของสนามแม่เหล็กบริเวณแกนกลางของกระแสน้ำวนและโดเมนของไมโครแมกเนต อาจสามารถนำมาใช้ในการเข้ารหัสข้อมูลในรูปแบบของเลข 0 และ 1 ได้

ขณะนี้นักวิจัยกำลังมุ่งเป้าไปที่การทำซ้ำงานวิจัยนี้กับวัสดุแอนติเฟอร์โรแมกเนติก ซึ่งผลสุทธิของโมเมนต์แม่เหล็กแต่ละตัวจะหักล้างกัน วัสดุเหล่านี้มีศักยภาพสูงในด้านการคำนวณ—ในทางทฤษฎี วัสดุแอนติเฟอร์โรแมกเนติกสามารถนำมาใช้สร้างอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานน้อยและคงความเสถียรแม้ไฟดับ—แต่การตรวจสอบจะยากกว่ามาก เนื่องจากสัญญาณที่พวกมันสร้างขึ้นจะอ่อนกว่ามาก

แม้จะเผชิญกับความท้าทายนั้น ฟอลเวนก็ยังมองโลกในแง่ดี “เราได้ก้าวไปอีกขั้นด้วยการแสดงให้เห็นว่าเราสามารถสร้างตัวอย่างและตรวจสอบผ่านรังสีเอ็กซ์ได้” เขากล่าว “ขั้นตอนต่อไปคือการดูว่าเราสามารถสร้างตัวอย่างที่มีคุณภาพสูงเพียงพอที่จะได้รับสัญญาณที่เพียงพอจากวัสดุต้านแม่เหล็กได้หรือไม่”