Ang mga mananaliksik mula sa NTNU ay nagbibigay-liwanag sa mga magnetikong materyales sa maliliit na antas sa pamamagitan ng paglikha ng mga pelikula sa tulong ng ilang napakaliwanag na X-ray.
Sinimulan ni Erik Folven, co-director ng oxide electronics group sa NTNU's Department of Electronic Systems, at mga kasamahan mula sa NTNU at Ghent University sa Belgium na alamin kung paano nagbabago ang mga thin-film micromagnet kapag nagambala ng isang panlabas na magnetic field. Ang pag-aaral, na bahagyang pinondohan ng NTNU Nano at ng Research Council of Norway, ay inilathala sa journal na Physical Review Research.
Maliliit na magnet
Inimbento ni Einar Standal Digernes ang maliliit na parisukat na magnet na ginamit sa mga eksperimento.
Ang maliliit na parisukat na magnet, na nilikha ng kandidato ng NTNU Ph.D. na si Einar Standal Digernes, ay dalawang micrometer lamang ang lapad at nahahati sa apat na tatsulok na domain, bawat isa ay may iba't ibang magnetikong oryentasyon na nakaturo nang pakanan o pakaliwa sa paligid ng mga magnet.
Sa ilang partikular na magnetikong materyales, ang mas maliliit na grupo ng mga atomo ay nagsasama-sama sa mga lugar na tinatawag na mga domain, kung saan ang lahat ng mga electron ay may parehong magnetikong oryentasyon.
Sa mga magnet na NTNU, ang mga domain na ito ay nagtatagpo sa isang sentral na punto—ang vortex core—kung saan ang magnetic moment ay direktang nakaturo papasok o palabas ng plane ng materyal.
“Kapag naglapat tayo ng magnetic field, parami nang parami sa mga domain na ito ang magtuturo sa parehong direksyon,” sabi ni Folven. “Maaari silang lumaki at lumiit, at pagkatapos ay maaari silang magsanib-puwersa.”
Mga elektron na halos kasingbilis ng liwanag
Hindi madaling makitang nangyayari ito. Dinala ng mga mananaliksik ang kanilang mga micromagnet sa isang 80m-lapad na hugis-donut na synchrotron, na kilala bilang BESSY II, sa Berlin, kung saan ang mga electron ay pinabibilis hanggang sa sila ay maglakbay sa halos bilis ng liwanag. Ang mga electron na mabilis gumalaw ay naglalabas ng napakaliwanag na X-ray.
"Kinukuha namin ang mga X-ray na ito at ginagamit ang mga ito bilang liwanag sa aming mikroskopyo," sabi ni Folven.
Dahil ang mga electron ay naglalakbay sa paligid ng synchrotron nang paikot-ikot na pinaghihiwalay ng dalawang nanosecond, ang mga X-ray na inilalabas ng mga ito ay dumarating sa mga eksaktong pulso.
Ang isang scanning transmission X-ray microscope, o STXM, ay kumukuha ng mga X-ray na iyon upang lumikha ng isang snapshot ng magnetic structure ng materyal. Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga snapshot na ito, ang mga mananaliksik ay maaaring lumikha ng isang pelikula na nagpapakita kung paano nagbabago ang micromagnet sa paglipas ng panahon.
Sa tulong ng STXM, ginambala nina Folven at ng kanyang mga kasamahan ang kanilang mga micromagnet gamit ang isang pulso ng kuryente na lumikha ng magnetic field, at nakita ang pagbabago ng hugis ng mga domain at ang vortex core ay gumalaw mula sa gitna.
“Mayroon kang napakaliit na magnet, at pagkatapos ay tutusukin mo ito at susubukang kunan ng larawan habang ito ay muling lumulutang,” sabi niya. Pagkatapos, nakita nila ang core na bumabalik sa gitna—ngunit sa isang paliko-likong landas, hindi isang tuwid na linya.
"Para itong sasayaw pabalik sa gitna," sabi ni Folven.
Isang paso lang at tapos na
Iyon ay dahil pinag-aaralan nila ang mga epitaxial na materyales, na nilikha sa ibabaw ng isang substrate na nagbibigay-daan sa mga mananaliksik na baguhin ang mga katangian ng materyal, ngunit haharangan ang mga X-ray sa isang STXM.
Sa pagtatrabaho sa NTNU NanoLab, nilutas ng mga mananaliksik ang problema sa substrate sa pamamagitan ng paglilibing ng kanilang micromagnet sa ilalim ng isang layer ng carbon upang protektahan ang mga magnetic properties nito.
Pagkatapos ay maingat at tumpak nilang tinabas ang substrate sa ilalim gamit ang isang nakatutok na sinag ng mga gallium ion hanggang sa isang napakanipis na patong na lamang ang matira. Ang masusing proseso ay maaaring tumagal ng walong oras bawat sample—at ang isang pagkakamali ay maaaring magdulot ng kapahamakan.
“Ang mahalaga ay kung papatayin mo ang magnetismo, hindi natin malalaman iyon bago tayo umupo sa Berlin,” aniya. “Ang sekreto ay, siyempre, magdala ng higit sa isang sample.”
Mula sa pangunahing pisika hanggang sa mga aparato sa hinaharap
Mabuti na lang at gumana ito, at ginamit ng pangkat ang kanilang maingat na inihandang mga sample upang itala kung paano lumalaki at lumiliit ang mga domain ng micromagnet sa paglipas ng panahon. Gumawa rin sila ng mga computer simulation upang mas maunawaan kung anong mga puwersa ang gumagana.
Bukod sa pagpapaunlad ng ating kaalaman sa pundamental na pisika, ang pag-unawa kung paano gumagana ang magnetismo sa mga haba at takdang oras na ito ay maaaring makatulong sa paglikha ng mga aparato sa hinaharap.
Ginagamit na ang magnetismo para sa pag-iimbak ng datos, ngunit kasalukuyang naghahanap ang mga mananaliksik ng mga paraan upang higit pa itong magamit. Ang mga magnetikong oryentasyon ng vortex core at mga domain ng isang micromagnet, halimbawa, ay maaaring gamitin upang i-encode ang impormasyon sa anyo ng 0 at 1.
Nilalayon ngayon ng mga mananaliksik na ulitin ang gawaing ito gamit ang mga materyales na anti-ferromagnetic, kung saan ang netong epekto ng mga indibidwal na magnetic moment ay napapawi. Ang mga ito ay nangangako pagdating sa computing—sa teorya, ang mga materyales na anti-ferromagnetic ay maaaring gamitin upang gumawa ng mga aparato na nangangailangan ng kaunting enerhiya at nananatiling matatag kahit na nawalan ng kuryente—ngunit mas mahirap imbestigahan dahil ang mga signal na nalilikha ng mga ito ay magiging mas mahina.
Sa kabila ng hamong iyon, positibo si Folven. “Nasaklaw na namin ang unang aspeto sa pamamagitan ng pagpapakita na kaya naming gumawa ng mga sample at tingnan ang mga ito gamit ang X-ray,” aniya. “Ang susunod na hakbang ay tingnan kung makakagawa kami ng mga sample na may sapat na mataas na kalidad upang makakuha ng sapat na signal mula sa isang anti-ferromagnetic na materyal.”
Oras ng pag-post: Mayo-10-2021