Các nhà nghiên cứu từ NTNU đang làm sáng tỏ các vật liệu từ tính ở quy mô nhỏ bằng cách tạo ra các bộ phim với sự trợ giúp của một số tia X cực sáng.
Erik Folven, đồng giám đốc nhóm điện tử oxit tại Khoa Hệ thống Điện tử của NTNU, và các đồng nghiệp từ NTNU và Đại học Ghent ở Bỉ đã bắt đầu quan sát các nam châm vi mô màng mỏng thay đổi như thế nào khi bị nhiễu bởi từ trường bên ngoài.Công trình 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 được sử dụng trong các thí nghiệm.
Những nam châm vuông nhỏ được tạo ra bởi NTNU Ph.D.ứng cử viên Einar Standal Digernes, chỉ rộng hai micromet và được chia thành bốn miền hình tam giác, mỗi miền có hướng từ tính khác nhau hướng theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ xung quanh nam châm.
Trong một số vật liệu từ tính nhất định, các nhóm nguyên tử nhỏ hơn liên kết với nhau thành các khu vực gọi là miền, trong đó tất cả các electron có cùng hướng từ.
Trong nam châm NTNU, các miền này gặp nhau tại một điểm trung tâm—lõi xoáy—nơi mômen từ hướng trực tiếp vào hoặc ra khỏi mặt phẳng của vật liệu.
Folven nói: “Khi chúng ta tác dụng một từ trường, ngày càng nhiều miền này sẽ hướng về cùng một hướng”.“Chúng có thể lớn lên và có thể co lại, và sau đó chúng có thể hợp nhất lại với nhau.”
Các electron gần như ở tốc độ ánh sáng
Chứng kiến điều này xảy ra không phải là điều dễ dàng.Các nhà nghiên cứu đã đưa nam châm micro của họ đến một synchrotron 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 sáng.
Folven cho biết: “Chúng tôi lấy những tia X này và sử dụng chúng làm ánh sáng trong kính hiển vi của mình”.
Bởi vì các electron di chuyển xung quanh synchrotron theo từng chùm cách nhau hai nano giây nên tia X mà chúng phát ra có các xung chính xác.
Kính hiển vi tia X truyền qua quét, hay STXM, lấy những tia X đó để tạo ra ảnh chụp nhanh cấu trúc từ tính của vật liệu.Bằng cách ghép những bức ảnh chụp nhanh này lại với nhau, về cơ bản, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra một đoạn phim cho thấy nam châm vi mô thay đổi như thế nào theo thời gian.
Với sự trợ giúp của STXM, Folven và các đồng nghiệp đã làm xáo trộn các nam châm micromet của họ bằng một xung dòng điện tạo ra từ trường và thấy các miền thay đổi hình dạng và lõi xoáy di chuyển từ trung tâm.
“Bạn có một nam châm rất nhỏ, sau đó bạn chọc vào nó và cố gắng tưởng tượng nó khi nó ổn định trở lại,” ông nói.Sau đó, họ thấy phần lõi quay trở lại giữa nhưng dọc theo một con đường quanh co chứ không phải một đường thẳng.
“Nó sẽ quay trở lại trung tâm,” Folven nói.
Trượt một cái là xong
Đó là bởi vì họ nghiên cứu các vật liệu epiticular, 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 cắt bỏ lớp nền bên dưới một cách cẩn thận và chính xác bằng 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 một sai sót có thể gây ra thảm họa.
“Điều quan trọng là nếu bạn loại bỏ từ tính, chúng ta sẽ không biết điều đó trước khi ngồi ở Berlin,” ông nói.“Tất nhiên, bí quyết là mang nhiều hơn một mẫu.”
Từ vật lý cơ bản đến các thiết bị trong tương lai
Rất may là nó đã hoạt động và nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mẫu được chuẩn bị cẩn thận để lập biểu đồ về cách các miền của nam châm siêu nhỏ phát triển và co lại theo thời gian.Họ cũng tạo ra các mô phỏng trên máy tính để hiểu rõ hơn những lực nào đang tác động.
Cùng với việc nâng cao kiến thức của chúng ta về vật lý cơ bản, việc hiểu cách hoạt động của từ tính ở những thang độ 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, định hướng từ của lõi xoáy và các miền của nam châm vi mô có lẽ có thể được sử dụng để mã hóa thông tin dưới dạng 0 và 1.
Các nhà nghiên cứu hiện đang hướng tới mục tiêu lặp lại công việc này với các vật liệu phản sắt từ, trong đó hiệu ứng thực của từng mô men từ bị triệt tiêu.Đây là những điều hứa hẹn khi nói đến điện toán—về lý thuyết, vật liệu phản sắt từ có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị cần ít năng lượng và vẫn ổn định ngay cả khi mất điện—nhưng sẽ khó điều tra hơn rất nhiều vì tín hiệu chúng tạo ra sẽ yếu hơn nhiều .
Bất chấp thách thức đó, Folven vẫn lạc quan.Ông nói: “Chúng tôi đã hoàn thành bước đầu bằng cách chứng tỏ rằng chúng tôi có thể tạo ra các mẫu và xem qua 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 đủ tín hiệu từ vật liệu phản sắt từ hay không.”
Thời gian đăng: May-10-2021