Navorsers van NTNU werp lig op magnetiese materiale op klein skale deur films te skep met behulp van uiters helder X-strale.
Erik Folven, mededirekteur van die oksiedelektronikagroep by NTNU se Departement Elektroniese Stelsels, en kollegas van NTNU en die Universiteit Gent in België het ondersoek ingestel na hoe dunfilm-mikromagnete verander wanneer hulle deur 'n eksterne magnetiese veld versteur word. Die werk, gedeeltelik befonds deur NTNU Nano en die Navorsingsraad van Noorweë, is in die tydskrif Physical Review Research gepubliseer.
Klein magnete
Einar Standal Digernes het die klein vierkantige magnete uitgevind wat in die eksperimente gebruik is.
Die klein vierkantige magnete, geskep deur NTNU PhD-kandidaat Einar Standal Digernes, is slegs twee mikrometer breed en verdeel in vier driehoekige domeine, elk met 'n ander magnetiese oriëntasie wat kloksgewys of antikloksgewys om die magnete wys.
In sekere magnetiese materiale vorm kleiner groepe atome gebiede wat domeine genoem word, waarin al die elektrone dieselfde magnetiese oriëntasie het.
In die NTNU-magnete ontmoet hierdie domeine by 'n sentrale punt—die draaikolkkern—waar die magnetiese moment direk in of uit die vlak van die materiaal wys.
“Wanneer ons ’n magnetiese veld toepas, sal meer en meer van hierdie domeine in dieselfde rigting wys,” sê Folven. “Hulle kan groei en hulle kan krimp, en dan kan hulle in mekaar saamsmelt.”
Elektrone amper teen die spoed van lig
Om dit te sien gebeur is nie maklik nie. Die navorsers het hul mikromagnete na 'n 80 m wye donutvormige sinkrotron, bekend as BESSY II, in Berlyn geneem, waar elektrone versnel word totdat hulle teen amper die spoed van lig beweeg. Daardie vinnig bewegende elektrone straal dan uiters helder X-strale uit.
“Ons neem hierdie X-strale en gebruik hulle as die lig in ons mikroskoop,” sê Folven.
Omdat elektrone in trosse wat deur twee nanosekondes geskei word, deur die sinkrotron beweeg, kom die X-strale wat hulle uitstraal in presiese pulse.
'n Skandeer-transmissie-X-straalmikroskoop, of STXM, neem daardie X-strale om 'n momentopname van die materiaal se magnetiese struktuur te skep. Deur hierdie momentopnames aanmekaar te heg, kan die navorsers in wese 'n fliek skep wat wys hoe die mikromagneet oor tyd verander.
Met die hulp van die STXM het Folven en sy kollegas hul mikromagnete versteur met 'n stroompuls wat 'n magnetiese veld opgewek het, en gesien hoe die domeine van vorm verander en die draaikolkkern van die middelpunt af beweeg.
“Jy het ’n baie klein magneet, en dan steek jy dit en probeer om dit te visualiseer terwyl dit weer tot rus kom,” sê hy. Daarna het hulle gesien hoe die kern na die middel terugkeer – maar langs ’n kronkelende pad, nie ’n reguit lyn nie.
“Dit sal soort van terugdans na die middelpunt,” sê Folven.
Een glip en dis verby
Dit is omdat hulle epitaksiale materiale bestudeer, wat bo-op 'n substraat geskep word wat navorsers toelaat om die eienskappe van die materiaal te verander, maar die X-strale in 'n STXM sou blokkeer.
Die navorsers het in NTNU NanoLab gewerk en die substraatprobleem opgelos deur hul mikromagneet onder 'n laag koolstof te begrawe om die magnetiese eienskappe daarvan te beskerm.
Toe het hulle die substraat daaronder versigtig en presies met 'n gefokusde straal galliumione afgekap totdat slegs 'n baie dun lagie oorgebly het. Die moeisame proses kon agt uur per monster duur – en een fout kon rampspoedig wees.
“Die kritieke ding is dat, as jy die magnetisme doodmaak, ons dit nie sal weet voordat ons in Berlyn sit nie,” sê hy. “Die truuk is natuurlik om meer as een monster saam te bring.”
Van fundamentele fisika tot toekomstige toestelle
Gelukkig het dit gewerk, en die span het hul sorgvuldig voorbereide monsters gebruik om te karteer hoe die mikromagneet se domeine oor tyd groei en krimp. Hulle het ook rekenaarsimulasies geskep om beter te verstaan watter kragte aan die werk was.
Benewens die bevordering van ons kennis van fundamentele fisika, kan die begrip van hoe magnetisme op hierdie lengte- en tydskale werk, nuttig wees om toekomstige toestelle te skep.
Magnetisme word reeds vir databerging gebruik, maar navorsers soek tans na maniere om dit verder te benut. Die magnetiese oriëntasies van die draaikolkkern en domeine van 'n mikromagneet kan byvoorbeeld dalk gebruik word om inligting in die vorm van 0'e en 1'e te kodeer.
Die navorsers beoog nou om hierdie werk met anti-ferromagnetiese materiale te herhaal, waar die netto-effek van die individuele magnetiese momente mekaar kanselleer. Hierdie is belowend wanneer dit by rekenaarkunde kom – in teorie kan anti-ferromagnetiese materiale gebruik word om toestelle te maak wat min energie benodig en stabiel bly selfs wanneer krag verlore gaan – maar baie moeiliker om te ondersoek omdat die seine wat hulle produseer baie swakker sal wees.
Ten spyte van daardie uitdaging, is Folven optimisties. “Ons het die eerste stap geneem deur te wys dat ons monsters kan maak en dit met X-strale kan ondersoek,” sê hy. “Die volgende stap sal wees om te sien of ons monsters van voldoende hoë gehalte kan maak om genoeg sein van 'n anti-ferromagnetiese materiaal te kry.”
Plasingstyd: 10 Mei 2021