Các nhà nghiên cứu từ NTNU đang làm sáng tỏ các vật liệu từ tính ở quy mô nhỏ bằng cách tạo ra các đoạn phim với sự trợ giúp của một số tia X cực mạnh.
Erik Folven, đồng giám đốc nhóm điện tử oxit tại Khoa Hệ thống Điện tử của NTNU, cùng các đồng nghiệp từ NTNU và Đại học Ghent ở Bỉ đã tiến hành nghiên cứu xem các nam châm siêu nhỏ màng mỏng thay đổi như thế nào khi bị tác động bởi từ trường bên ngoài. Công trình này, được tài trợ một phần bởi NTNU Nano và Hội đồng Nghiên cứu Na Uy, đã được công bố trên tạp chí Physical Review Research.
Nam châm nhỏ
Einar Standal Digernes đã phát minh ra những nam châm vuông nhỏ xíu được sử dụng trong các thí nghiệm.
Những nam châm vuông nhỏ xíu này, do nghiên cứu sinh tiến sĩ Einar Standal Digernes của NTNU chế tạo, chỉ rộng hai micromet và được chia thành bốn vùng hình tam giác, mỗi vùng có hướng từ tính khác nhau, quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ xung quanh nam châm.
Trong một số vật liệu từ tính, các nhóm nguyên tử nhỏ hơn liên kết với nhau thành các vùng gọi là miền, trong đó tất cả các electron đều có cùng hướng từ tính.
Trong nam châm NTNU, các miền này gặp nhau tại một điểm trung tâm—lõi xoáy—nơi mômen từ hướng thẳng vào hoặc ra khỏi mặt phẳng vật liệu.
“Khi chúng ta áp dụng từ trường, ngày càng nhiều các miền này sẽ hướng về cùng một hướng,” Folven nói. “Chúng có thể phát triển, có thể co lại, và sau đó có thể hợp nhất với nhau.”
Các electron chuyển động gần như với tốc độ ánh sáng.
Chứng kiến điều này xảy ra không hề dễ dàng. Các nhà nghiên cứu đã mang những nam châm siêu nhỏ của họ đến một máy gia tốc đồng bộ hình bánh rán rộng 80m, được gọi là BESSY II, ở Berlin, nơi các electron được gia tốc cho đến khi chúng di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Những electron chuyển động nhanh đó sau đó phát ra tia X cực mạnh.
“Chúng tôi chụp những tia X này và sử dụng chúng làm nguồn sáng trong kính hiển vi của mình,” Folven nói.
Vì các electron di chuyển xung quanh máy gia tốc đồng bộ theo từng nhóm cách nhau hai nan giây, nên tia X mà chúng phát ra có dạng xung nhịp chính xác.
Kính hiển vi truyền tia X quét (STXM) sử dụng tia X để tạo ra ảnh chụp cấu trúc từ tính của vật liệu. Bằng cách ghép các ảnh chụp này lại với nhau, các nhà nghiên cứu về cơ bản có thể tạo ra một đoạn phim cho thấy nam châm siêu nhỏ thay đổi như thế nào theo thời gian.
Với sự hỗ trợ của STXM, Folven và các đồng nghiệp đã tác động lên các nam châm siêu nhỏ của họ bằng một xung dòng điện tạo ra từ trường, và quan sát thấy các miền thay đổi hình dạng và lõi xoáy di chuyển ra khỏi trung tâm.
“Bạn có một nam châm rất nhỏ, rồi bạn chọc vào nó và cố gắng chụp ảnh khi nó trở lại vị trí ban đầu,” ông nói. Sau đó, họ thấy lõi quay trở lại giữa – nhưng theo một đường ngoằn ngoèo, chứ không phải đường thẳng.
“Nó sẽ dần dần quay trở lại vị trí trung tâm,” Folven nói.
Chỉ cần một sơ suất nhỏ là mọi chuyện kết thúc.
Đó là vì họ nghiên cứu các vật liệu epitaxy, được tạo ra trên một chất nền cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh các đặc tính của vật liệu, nhưng sẽ chặn tia X trong STXM.
Làm việc tại NTNU NanoLab, các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề về chất nền bằng cách chôn nam châm siêu nhỏ của họ dưới một lớp carbon để bảo vệ các đặc tính từ tính của nó.
Sau đó, họ cẩn thận và chính xác loại bỏ lớp nền bên dưới bằng một chùm ion gali tập trung cho đến khi chỉ còn lại một lớp rất mỏng. Quá trình tỉ mỉ này có thể mất tám giờ cho mỗi mẫu – và chỉ một sai sót nhỏ cũng có thể dẫn đến thảm họa.
“Điều quan trọng là, nếu bạn phá hủy từ tính, chúng ta sẽ không biết điều đó trước khi đến Berlin,” ông nói. “Mẹo ở đây, dĩ nhiên, là phải mang theo nhiều hơn một mẫu.”
Từ vật lý cơ bản đến các thiết bị tương lai
Rất may là phương pháp này đã thành công, và nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mẫu được chuẩn bị kỹ lưỡng để lập biểu đồ về sự phát triển và thu hẹp của các vùng từ tính siêu nhỏ theo thời gian. Họ cũng tạo ra các mô phỏng trên máy tính để hiểu rõ hơn về các lực tác động.
Bên cạnh việc nâng cao kiến thức về vật lý cơ bản, việc hiểu cách thức hoạt động của từ tính ở các thang đo chiều dài và thời gian này có thể hữu ích trong việc tạo ra các thiết bị trong tương lai.
Từ tính đã được sử dụng để lưu trữ dữ liệu, nhưng các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách khai thác nó hơn nữa. Ví dụ, hướng từ tính của lõi xoáy và các miền của nam châm siêu nhỏ có thể được sử dụng để mã hóa thông tin dưới dạng các số 0 và 1.
Các nhà nghiên cứu hiện đang hướng tới việc lặp lại công trình này với các vật liệu phản từ, trong đó hiệu ứng tổng hợp của các mômen từ riêng lẻ triệt tiêu lẫn nhau. Những vật liệu này rất hứa hẹn trong lĩnh vực điện toán – về lý thuyết, vật liệu phản từ có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị tiêu thụ ít năng lượng và vẫn ổn định ngay cả khi mất điện – nhưng việc nghiên cứu chúng khó khăn hơn nhiều vì tín hiệu chúng tạo ra sẽ yếu hơn đáng kể.
Bất chấp thách thức đó, Folven vẫn lạc quan. Ông nói: “Chúng tôi đã bước đầu chứng minh rằng chúng tôi có thể tạo ra các mẫu và quan sát chúng bằng tia X. Bước tiếp theo sẽ là xem liệu chúng ta có thể tạo ra các mẫu có chất lượng đủ cao để thu được tín hiệu đủ mạnh từ vật liệu phản từ hay không.”
Thời gian đăng bài: 10 tháng 5 năm 2021