Дослідники з NTNU досліджують магнітні матеріали в малих масштабах, створюючи плівки за допомогою надзвичайно яскравих рентгенівських променів.
Ерік Фолвен, співдиректор групи оксидної електроніки кафедри електронних систем NTNU, та його колеги з NTNU та Гентського університету в Бельгії вирішили дослідити, як змінюються тонкоплівкові мікромагнетики під впливом зовнішнього магнітного поля. Робота, частково профінансована NTNU Nano та Дослідницькою радою Норвегії, була опублікована в журналі Physical Review Research.
Крихітні магніти
Ейнар Стандал Дігернес винайшов крихітні квадратні магніти, що використовувалися в експериментах.
Крихітні квадратні магніти, створені кандидатом наук NTNU Ейнаром Стандалом Дігернесом, мають ширину всього два мікрометри та розділені на чотири трикутні домени, кожен з яких має різну магнітну орієнтацію, спрямовану за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки навколо магнітів.
У деяких магнітних матеріалах менші групи атомів об'єднуються в області, які називаються доменами, в яких усі електрони мають однакову магнітну орієнтацію.
У магнітах NTNU ці домени зустрічаються в центральній точці — вихоровому ядрі — де магнітний момент спрямований безпосередньо в площину матеріалу або з неї.
«Коли ми застосовуємо магнітне поле, все більше й більше цих доменів будуть спрямовані в одному напрямку», — каже Фолвен. «Вони можуть зростати і стискатися, а потім зливатися один з одним».
Електрони майже зі швидкістю світла
Спостерігати за цим непросто. Дослідники взяли свої мікромагніти до синхротрона у формі бублика завширшки 80 м, відомого як BESSY II, у Берліні, де електрони прискорюються, поки вони не почнуть рухатися майже зі швидкістю світла. Ці швидко рухаючі електрони потім випромінюють надзвичайно яскраві рентгенівські промені.
«Ми беремо ці рентгенівські промені та використовуємо їх як світло в нашому мікроскопі», — каже Фолвен.
Оскільки електрони рухаються синхротроном згустками, розділеними двома наносекундами, рентгенівські промені, які вони випромінюють, надходять у вигляді точних імпульсів.
Скануючий просвічуючий рентгенівський мікроскоп, або STXM, приймає ці рентгенівські промені, щоб створити знімок магнітної структури матеріалу. Поєднуючи ці знімки, дослідники можуть по суті створити фільм, який показує, як мікромагніт змінюється з часом.
За допомогою STXM Фолвен та його колеги порушили свої мікромагніти імпульсом струму, який генерував магнітне поле, і спостерігали, як домени змінюють форму, а ядро вихору рухається від центру.
«У вас є дуже маленький магніт, а потім ви тикаєте в нього та намагаєтеся зобразити, як він знову осідає», – каже він. Після цього вони побачили, як ядро повертається до середини, але по звивистій траєкторії, а не по прямій лінії.
«Воно ніби танцюватиме назад до центру», — каже Фолвен.
Один промах, і все кінець
Це тому, що вони вивчають епітаксіальні матеріали, які створюються поверх підкладки, що дозволяє дослідникам змінювати властивості матеріалу, але блокує рентгенівські промені в STXM.
Працюючи в NTNU NanoLab, дослідники вирішили проблему з підкладкою, закопавши свій мікромагніт під шаром вуглецю, щоб захистити його магнітні властивості.
Потім вони ретельно та точно відколювали підкладку знизу сфокусованим променем іонів галію, доки не залишався лише дуже тонкий шар. Цей кропіткий процес міг тривати вісім годин на кожен зразок, і одна помилка могла призвести до катастрофи.
«Найважливіше те, що якщо вбити магнетизм, ми не знатимемо цього до того, як сядемо в Берлін», — каже він. «Секрет, звичайно, полягає в тому, щоб привезти більше одного зразка».
Від фундаментальної фізики до майбутніх пристроїв
На щастя, це спрацювало, і команда використала свої ретельно підготовлені зразки, щоб відобразити, як домени мікромагніту ростуть і стискаються з часом. Вони також створили комп'ютерні симуляції, щоб краще зрозуміти, які сили діють.
Окрім розширення наших знань з фундаментальної фізики, розуміння того, як працює магнетизм на таких масштабах довжини та часу, може бути корисним для створення майбутніх пристроїв.
Магнетизм вже використовується для зберігання даних, але дослідники зараз шукають способи його подальшого використання. Наприклад, магнітні орієнтації ядра вихору та доменів мікромагнетика, можливо, можна було б використовувати для кодування інформації у вигляді 0 та 1.
Зараз дослідники прагнуть повторити цю роботу з антиферомагнітними матеріалами, де сумарний ефект окремих магнітних моментів компенсується. Вони є перспективними з точки зору обчислювальної техніки — теоретично, антиферомагнітні матеріали можна використовувати для створення пристроїв, які потребують мало енергії та залишаються стабільними навіть за відсутності живлення, — але їх набагато складніше дослідити, оскільки сигнали, які вони виробляють, будуть набагато слабшими.
Незважаючи на цей виклик, Фолвен налаштований оптимістично. «Ми пройшли перший етап, показавши, що можемо виготовляти зразки та досліджувати їх за допомогою рентгенівських променів», – каже він. «Наступним кроком буде з’ясувати, чи можемо ми виготовляти зразки достатньо високої якості, щоб отримати достатній сигнал від антиферомагнітного матеріалу».
Час публікації: 10 травня 2021 р.