Дослідники з NTNU проливають світло на магнітні матеріали в невеликих масштабах, створюючи фільми за допомогою деяких надзвичайно яскравих рентгенівських променів.
Ерік Фолвен, співдиректор групи оксидної електроніки на кафедрі електронних систем NTNU, і його колеги з NTNU та Гентського університету в Бельгії вирішили побачити, як тонкоплівкові мікромагніти змінюються під впливом зовнішнього магнітного поля.Робота, частково профінансована NTNU Nano та Дослідницькою радою Норвегії, була опублікована в журналі Physical Review Research.
Маленькі магніти
Ейнар Стандал Дігернес винайшов крихітні квадратні магніти, які використовувалися в експериментах.
Маленькі квадратні магніти, створені доктором філософії НТНУ.кандидат Ейнар Стандаль Дігернес, мають ширину лише два мікрометри та розділені на чотири трикутні домени, кожен з яких має різну магнітну орієнтацію, спрямовану за або проти годинникової стрілки навколо магнітів.
У деяких магнітних матеріалах менші групи атомів об’єднуються в області, які називаються доменами, у яких усі електрони мають однакову магнітну орієнтацію.
У магнітах NTNU ці домени зустрічаються в центральній точці — вихровому ядрі — де магнітний момент вказує прямо в площину матеріалу або поза нею.
«Коли ми застосовуємо магнітне поле, все більше й більше цих доменів спрямовуватимуться в одному напрямку», — каже Фолвен.«Вони можуть рости і вони можуть зменшуватися, а потім вони можуть зливатися одне в одне».
Електрони майже зі швидкістю світла
Побачити це нелегко.Дослідники перенесли свої мікромагніти на синхротрон у формі бублика шириною 80 метрів, відомий як BESSY II, у Берліні, де електрони прискорюються, доки вони рухаються майже зі швидкістю світла.Потім ці електрони, що швидко рухаються, випромінюють надзвичайно яскраве рентгенівське випромінювання.
«Ми беремо ці рентгенівські промені та використовуємо їх як світло в нашому мікроскопі», — каже Фолвен.
Оскільки електрони рухаються навколо синхротрона групами, розділеними двома наносекундами, рентгенівське випромінювання, яке вони випускають, надходить у вигляді точних імпульсів.
Скануючий трансмісійний рентгенівський мікроскоп або STXM використовує ці рентгенівські промені, щоб створити знімок магнітної структури матеріалу.З’єднавши ці знімки разом, дослідники можуть по суті створити фільм, який показує, як мікромагніт змінюється з часом.
За допомогою STXM Фолвен і його колеги порушили свої мікромагніти імпульсом струму, який створив магнітне поле, і побачили, як домени змінили форму, а ядро вихру рухалося від центру.
«У вас є дуже маленький магніт, а потім ви штовхаєте його і намагаєтеся відобразити, як він знову осідає», — каже він.Після цього вони побачили, як ядро повертається до середини, але по звивистій дорозі, а не по прямій лінії.
«Він ніби танцюватиме назад до центру», — каже Фолвен.
Один промах і кінець
Це тому, що вони вивчають епітаксіальні матеріали, які створюються поверх підкладки, що дозволяє дослідникам налаштовувати властивості матеріалу, але блокує рентгенівське випромінювання в STXM.
Працюючи в NTNU NanoLab, дослідники вирішили проблему підкладки, заховавши свій мікромагніт під шаром вуглецю, щоб захистити його магнітні властивості.
Потім вони обережно й точно відколювали підкладку знизу за допомогою сфокусованого пучка іонів галію, поки не залишився лише дуже тонкий шар.Копіткий процес може тривати вісім годин на кожен зразок, і одна помилка може призвести до катастрофи.
«Найважливішим є те, що якщо ви вб’єте магнетизм, ми не дізнаємося про це до того, як сядемо в Берлін», — каже він.«Фокус, звичайно, полягає в тому, щоб принести більше одного зразка».
Від фундаментальної фізики до пристроїв майбутнього
На щастя, це спрацювало, і команда використала свої ретельно підготовлені зразки, щоб визначити, як домени мікромагніту з часом ростуть і зменшуються.Вони також створили комп’ютерне моделювання, щоб краще зрозуміти, які сили діють.
Окрім розширення наших знань із фундаментальної фізики, розуміння того, як магнетизм працює на таких масштабах довжини та часу, може бути корисним у створенні майбутніх пристроїв.
Магнетизм уже використовується для зберігання даних, але зараз дослідники шукають способи його подальшого використання.Наприклад, магнітні орієнтації вихрового ядра та доменів мікромагніту, можливо, можна використовувати для кодування інформації у формі 0 і 1.
Зараз дослідники прагнуть повторити цю роботу з антиферомагнітними матеріалами, де сумарний ефект окремих магнітних моментів нівелюється.Вони є багатообіцяючими, коли справа доходить до обчислювальної техніки — теоретично антиферомагнітні матеріали можна використовувати для створення пристроїв, які потребують мало енергії та залишаються стабільними навіть у разі втрати живлення, — але їх набагато складніше досліджувати, оскільки сигнали, які вони виробляють, будуть набагато слабшими. .
Незважаючи на цей виклик, Фолвен налаштований оптимістично.«Ми охопили перше місце, показавши, що можемо робити зразки та переглядати їх за допомогою рентгенівських променів», — каже він.«Наступним кроком буде перевірити, чи зможемо ми зробити зразки достатньо високої якості, щоб отримати достатній сигнал від антиферомагнітного матеріалу».
Час публікації: 10 травня 2021 р