طريقة جديدة للنظر إلى الأعمال الداخلية للمغناطيسات الصغيرة

يقوم باحثون من NTNU بإلقاء الضوء على المواد المغناطيسية ذات المقاييس الصغيرة من خلال إنشاء أفلام بمساعدة بعض الأشعة السينية الساطعة للغاية.

شرع إريك فولفين، المدير المشارك لمجموعة إلكترونيات الأكسيد في قسم الأنظمة الإلكترونية بجامعة NTNU، وزملاؤه من NTNU وجامعة Ghent في بلجيكا في رؤية كيف تتغير المغناطيسات الدقيقة ذات الأغشية الرقيقة عند إزعاجها بمجال مغناطيسي خارجي.تم نشر هذا العمل، الذي تم تمويله جزئيًا من قبل NTNU Nano ومجلس الأبحاث النرويجي، في مجلة Physical Review Research.

مغناطيس صغير

اخترع آينار ستاندال ديجرنيس المغناطيسات المربعة الصغيرة المستخدمة في التجارب.

المغناطيسات المربعة الصغيرة، التي أنشأتها NTNU Ph.D.المرشح Einar Standal Digernes، يبلغ عرضه ميكرومترين فقط وينقسم إلى أربعة مجالات مثلثة، لكل منها اتجاه مغناطيسي مختلف يشير في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة حول المغناطيس.

في بعض المواد المغناطيسية، تتجمع مجموعات أصغر من الذرات معًا في مناطق تسمى المجالات، حيث يكون لجميع الإلكترونات نفس الاتجاه المغناطيسي.

في مغناطيس NTNU، تلتقي هذه المجالات عند نقطة مركزية - قلب الدوامة - حيث يشير العزم المغناطيسي مباشرة داخل أو خارج مستوى المادة.

يقول فولفين: "عندما نطبق مجالًا مغناطيسيًا، فإن المزيد والمزيد من هذه المجالات ستشير إلى نفس الاتجاه"."يمكن أن تنمو، ويمكن أن تتقلص، وبعد ذلك يمكن أن تندمج مع بعضها البعض."

الإلكترونات تقترب من سرعة الضوء

رؤية هذا يحدث ليس بالأمر السهل.أخذ الباحثون مغناطيساتهم الدقيقة إلى سنكروترون على شكل كعكة يبلغ عرضه 80 مترًا، يُعرف باسم BESSY II، في برلين، حيث يتم تسريع الإلكترونات حتى تنتقل بسرعة الضوء تقريبًا.ثم تقوم هذه الإلكترونات سريعة الحركة بإصدار أشعة سينية شديدة السطوع.

يقول فولفين: "نأخذ هذه الأشعة السينية ونستخدمها كضوء في مجهرنا".

ونظرًا لأن الإلكترونات تنتقل حول السنكروترون في مجموعات يفصل بينها نانوثانية، فإن الأشعة السينية التي تنبعث منها تأتي على شكل نبضات دقيقة.

يأخذ مجهر الأشعة السينية الماسح الضوئي، أو STXM، تلك الأشعة السينية لإنشاء لقطة للبنية المغناطيسية للمادة.ومن خلال دمج هذه اللقطات معًا، يمكن للباحثين إنشاء فيلم يوضح كيفية تغير المغناطيس الصغير بمرور الوقت.

وبمساعدة STXM، قام فولفين وزملاؤه بإزعاج مغناطيساتهم الصغيرة بنبضة من التيار التي ولدت مجالًا مغناطيسيًا، ورأوا المجالات تتغير شكلها وتحرك قلب الدوامة من المركز.

يقول: "لديك مغناطيس صغير جدًا، ثم تضغط عليه وتحاول تصويره وهو يستقر مرة أخرى".بعد ذلك، رأوا عودة النواة إلى المنتصف، ولكن على طول مسار متعرج، وليس خطًا مستقيمًا.

يقول فولفين: "سيكون الأمر بمثابة رقصة العودة إلى المركز".

زلة واحدة وانتهى الأمر

ذلك لأنهم يدرسون المواد الفوقية، والتي يتم إنشاؤها فوق ركيزة تسمح للباحثين بتعديل خصائص المادة، ولكنها قد تمنع الأشعة السينية في STXM.

من خلال العمل في NTNU NanoLab، قام الباحثون بحل مشكلة الركيزة عن طريق دفن مغناطيسهم الصغير تحت طبقة من الكربون لحماية خصائصه المغناطيسية.

ثم قاموا بتقطيع الركيزة الموجودة أسفلها بعناية ودقة باستخدام شعاع مركّز من أيونات الغاليوم حتى لم يبق سوى طبقة رقيقة جدًا.قد تستغرق هذه العملية المضنية ثماني ساعات لكل عينة، وقد يؤدي خطأ واحد إلى كارثة.

ويقول: "الأمر الحاسم هو أنك إذا قتلت الجاذبية، فلن نعرف ذلك قبل أن نجلس في برلين"."إن الحيلة بالطبع هي إحضار أكثر من عينة واحدة."

من الفيزياء الأساسية إلى الأجهزة المستقبلية

لحسن الحظ، نجح الأمر، واستخدم الفريق عيناتهم المُعدة بعناية لرسم كيفية نمو وتقلص مجالات المغناطيس الصغير بمرور الوقت.كما قاموا بإنشاء محاكاة حاسوبية لفهم القوى المؤثرة بشكل أفضل.

بالإضافة إلى تطوير معرفتنا بالفيزياء الأساسية، فإن فهم كيفية عمل المغناطيسية عند هذه الأطوال والمقاييس الزمنية يمكن أن يكون مفيدًا في إنشاء أجهزة مستقبلية.

تُستخدم المغناطيسية بالفعل لتخزين البيانات، لكن الباحثين يبحثون حاليًا عن طرق لاستغلالها بشكل أكبر.على سبيل المثال، ربما يمكن استخدام التوجهات المغناطيسية لنواة الدوامة ومجالات المغناطيس الصغير لتشفير المعلومات على شكل 0 و1.

ويهدف الباحثون الآن إلى تكرار هذا العمل باستخدام مواد مضادة للمغناطيسية الحديدية، حيث يلغي التأثير الصافي للعزوم المغناطيسية الفردية.تعتبر هذه الأمور واعدة عندما يتعلق الأمر بالحوسبة - من الناحية النظرية، يمكن استخدام المواد المضادة للمغناطيسية الحديدية لصنع أجهزة تتطلب القليل من الطاقة وتظل مستقرة حتى عند فقدان الطاقة - ولكن التحقيق فيها أكثر صعوبة لأن الإشارات التي تنتجها ستكون أضعف بكثير .

وعلى الرغم من هذا التحدي، فإن فولفين متفائل.ويقول: "لقد غطينا الأرض الأولى من خلال إظهار أننا نستطيع صنع عينات وفحصها بالأشعة السينية"."ستكون الخطوة التالية هي معرفة ما إذا كان بإمكاننا صنع عينات ذات جودة عالية بما فيه الكفاية للحصول على إشارة كافية من مادة مضادة للمغناطيسية."