วิธีใหม่ในการดูการทำงานภายในของแม่เหล็กขนาดเล็ก

นักวิจัยจาก NTNU กำลังฉายแสงให้กับวัสดุแม่เหล็กในขนาดเล็กโดยการสร้างภาพยนตร์โดยใช้รังสีเอกซ์ที่มีความสว่างมาก

Erik Folven ผู้อำนวยการร่วมของกลุ่มอิเล็กทรอนิกส์ออกไซด์ที่ Department of Electronic Systems ของ NTNU และเพื่อนร่วมงานจาก NTNU และ Ghent University ในเบลเยียมได้ออกเดินทางเพื่อดูว่าไมโครแม่เหล็กแบบฟิล์มบางเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อถูกรบกวนจากสนามแม่เหล็กภายนอกงานนี้ได้รับทุนสนับสนุนบางส่วนจาก NTNU Nano และสภาวิจัยแห่งนอร์เวย์ ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Research

แม่เหล็กจิ๋ว

Einar Standal Digernes คิดค้นแม่เหล็กสี่เหลี่ยมเล็กๆ ที่ใช้ในการทดลอง

แม่เหล็กสี่เหลี่ยมเล็กๆ ที่สร้างขึ้นโดย NTNU Ph.D.ผู้สมัคร Einar Standal Digernes มีความกว้างเพียง 2 ไมโครเมตรและแบ่งออกเป็นโดเมนสามเหลี่ยมสี่โดเมน โดยแต่ละโดเมนมีการวางแนวแม่เหล็กที่แตกต่างกันโดยชี้ตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิการอบๆ แม่เหล็ก

ในวัสดุแม่เหล็กบางชนิด กลุ่มอะตอมเล็กๆ จะรวมตัวกันเป็นพื้นที่ที่เรียกว่าโดเมน ซึ่งอิเล็กตรอนทุกตัวมีการวางแนวแม่เหล็กที่เหมือนกัน

ในแม่เหล็ก NTNU โดเมนเหล่านี้มาบรรจบกันที่จุดศูนย์กลาง - แกนกระแสน้ำวน - ซึ่งโมเมนต์แม่เหล็กชี้เข้าหรือออกจากระนาบของวัสดุโดยตรง

“เมื่อเราใช้สนามแม่เหล็ก โดเมนเหล่านี้ก็จะชี้ไปในทิศทางเดียวกันมากขึ้นเรื่อยๆ” Folven กล่าว“พวกมันสามารถเติบโตได้ และพวกมันสามารถหดตัวได้ จากนั้นพวกมันก็จะรวมเข้าด้วยกัน”

อิเล็กตรอนเกือบจะมีความเร็วแสง

การเห็นสิ่งนี้เกิดขึ้นไม่ใช่เรื่องง่ายนักวิจัยได้นำไมโครแม่เหล็กของพวกเขาไปใช้กับซินโครตรอนรูปโดนัทขนาดกว้าง 80 เมตรหรือที่เรียกว่า BESSY II ในกรุงเบอร์ลิน ซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกเร่งจนกระทั่งพวกมันเดินทางด้วยความเร็วเกือบเท่าแสงอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วเหล่านั้นจะปล่อยรังสีเอกซ์ที่สว่างมากออกมา

“เราใช้รังสีเอกซ์เหล่านี้และใช้เป็นแสงในกล้องจุลทรรศน์ของเรา” โฟลเวนกล่าว

เนื่องจากอิเล็กตรอนเดินทางรอบซินโครตรอนเป็นกลุ่มๆ โดยแยกจากกัน 2 นาโนวินาที รังสีเอกซ์ที่พวกมันปล่อยออกมาจึงเป็นพัลส์ที่แม่นยำ

กล้องจุลทรรศน์เอ็กซ์เรย์แบบส่องกราดสแกนหรือ STXM จะนำรังสีเอกซ์เหล่านั้นมาสร้างภาพรวมของโครงสร้างแม่เหล็กของวัสดุนักวิจัยจะสามารถสร้างภาพยนตร์ที่แสดงให้เห็นว่าไมโครแมกเนติกเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาได้อย่างไรโดยการรวมภาพเหล่านี้เข้าด้วยกัน

ด้วยความช่วยเหลือของ STXM โฟลเวนและเพื่อนร่วมงานของเขาได้รบกวนไมโครแม่เหล็กของพวกเขาด้วยพัลส์ของกระแสที่สร้างสนามแม่เหล็ก และเห็นว่าโดเมนเปลี่ยนรูปร่างและแกนกระแสน้ำวนเคลื่อนจากศูนย์กลาง

“คุณมีแม่เหล็กอันเล็กมาก จากนั้นคุณก็จิ้มมันแล้วลองนึกภาพมันตอนที่มันเกาะตัวอีกครั้ง” เขากล่าวหลังจากนั้น พวกเขาเห็นแกนกลางกลับคืนสู่ตรงกลาง—แต่ไปตามเส้นทางที่คดเคี้ยว ไม่ใช่เส้นตรง

“มันจะเต้นกลับไปสู่จุดศูนย์กลาง” โฟลเวนกล่าว

แปปเดียวก็จบแล้ว

นั่นเป็นเพราะพวกเขาศึกษาวัสดุ epitaxis ซึ่งถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวที่ช่วยให้นักวิจัยปรับแต่งคุณสมบัติของวัสดุ แต่จะปิดกั้นรังสีเอกซ์ใน STXM

การทำงานใน NTNU NanoLab นักวิจัยได้แก้ไขปัญหาพื้นผิวด้วยการฝังไมโครแม่เหล็กไว้ใต้ชั้นคาร์บอนเพื่อปกป้องคุณสมบัติทางแม่เหล็ก

จากนั้นพวกเขาก็แยกวัสดุพิมพ์ที่อยู่ด้านล่างออกอย่างระมัดระวังและแม่นยำด้วยลำแสงแกลเลียมไอออนที่โฟกัสจนเหลือเพียงชั้นบางๆ เท่านั้นกระบวนการที่ต้องใช้ความอุตสาหะอาจใช้เวลาแปดชั่วโมงต่อตัวอย่าง และความผิดพลาดหนึ่งครั้งอาจทำให้เกิดภัยพิบัติได้

“สิ่งสำคัญก็คือ ถ้าคุณกำจัดอำนาจแม่เหล็กออกไป เราจะไม่รู้เรื่องนี้ก่อนที่จะนั่งในกรุงเบอร์ลิน” เขากล่าว“แน่นอนว่าเคล็ดลับคือการนำตัวอย่างมากกว่าหนึ่งตัวอย่าง”

จากฟิสิกส์พื้นฐานไปจนถึงอุปกรณ์ในอนาคต

โชคดีที่มันได้ผล และทีมงานได้ใช้ตัวอย่างที่เตรียมไว้อย่างระมัดระวังเพื่อจัดทำแผนภูมิว่าโดเมนของไมโครแม่เหล็กเติบโตและหดตัวเมื่อเวลาผ่านไปอย่างไรพวกเขายังสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อทำความเข้าใจว่ากองกำลังใดบ้างที่ทำงานอยู่

นอกจากการพัฒนาความรู้ของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์พื้นฐานแล้ว การทำความเข้าใจว่าแม่เหล็กทำงานอย่างไรในระดับความยาวและช่วงเวลาเหล่านี้อาจมีประโยชน์ในการสร้างอุปกรณ์ในอนาคต

แม่เหล็กถูกนำมาใช้ในการจัดเก็บข้อมูลอยู่แล้ว แต่ขณะนี้นักวิจัยกำลังมองหาวิธีที่จะใช้ประโยชน์จากมันต่อไปตัวอย่างเช่น การวางแนวแม่เหล็กของแกนวอร์เท็กซ์และโดเมนของไมโครแม่เหล็ก อาจถูกนำมาใช้เพื่อเข้ารหัสข้อมูลในรูปแบบ 0 และ 1

ขณะนี้นักวิจัยตั้งเป้าที่จะทำซ้ำงานนี้ด้วยวัสดุป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า โดยที่ผลกระทบสุทธิของช่วงเวลาแม่เหล็กแต่ละอันจะถูกยกเลิกไปสิ่งเหล่านี้มีแนวโน้มที่ดีเมื่อพูดถึงการประมวลผล ในทางทฤษฎีแล้ว วัสดุป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถใช้สร้างอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยและยังคงความเสถียรแม้ว่าจะสูญเสียพลังงานไปก็ตาม แต่การตรวจสอบจะยุ่งยากกว่ามาก เนื่องจากสัญญาณที่พวกมันสร้างขึ้นจะอ่อนแอกว่ามาก .

แม้จะมีความท้าทายดังกล่าว Folven ก็ยังมองโลกในแง่ดี“เราได้ครอบคลุมพื้นที่แรกด้วยการแสดงให้เห็นว่าเราสามารถสร้างตัวอย่างและตรวจดูพวกมันด้วยการเอ็กซ์เรย์ได้” เขากล่าว“ขั้นตอนต่อไปคือการดูว่าเราจะสามารถสร้างตัวอย่างคุณภาพสูงเพียงพอที่จะรับสัญญาณจากวัสดุต้านแม่เหล็กไฟฟ้าได้เพียงพอหรือไม่”