Даследчыкі з NTNU праліваюць святло на магнітныя матэрыялы ў невялікіх маштабах, ствараючы фільмы з дапамогай надзвычай яркага рэнтгенаўскага выпраменьвання.
Эрык Фолвен, судырэктар групы аксіднай электронікі на кафедры электронных сістэм NTNU, і яго калегі з NTNU і Універсітэта Гента ў Бельгіі вырашылі паглядзець, як змяняюцца тонкаплёнкавыя мікрамагніты, калі іх парушае знешняе магнітнае поле.Праца, часткова прафінансаваная NTNU Nano і Даследчым саветам Нарвегіі, была апублікавана ў часопісе Physical Review Research.
Маленькія магніты
Эйнар Стандаль Дыгернес вынайшаў малюсенькія квадратныя магніты, якія выкарыстоўваліся ў эксперыментах.
Маленькія квадратныя магніты, створаныя доктарам філасофіі NTNU.кандыдат Эйнар Стандаль Дыгернес, маюць шырыню ўсяго два мікраметры і падзелены на чатыры трохкутныя дамены, кожны з якіх мае розную магнітную арыентацыю, накіраваную вакол магнітаў па або супраць гадзіннікавай стрэлкі.
У некаторых магнітных матэрыялах меншыя групы атамаў аб'ядноўваюцца ў вобласці, званыя даменамі, у якіх усе электроны маюць аднолькавую магнітную арыентацыю.
У магнітах NTNU гэтыя дамены сустракаюцца ў цэнтральнай кропцы - віхравым ядры - дзе магнітны момант паказвае прама ў або па-за плоскасцю матэрыялу.
«Калі мы прыкладаем магнітнае поле, усё больш і больш гэтых даменаў будуць паказваць у адным кірунку», — кажа Фолвен.«Яны могуць расці і змяншацца, а затым могуць злівацца адна ў адну».
Электроны амаль з хуткасцю святла
Убачыць, як гэта адбываецца, няпроста.Даследчыкі аднеслі свае мікрамагніты да 80-метровага сінхратрона ў форме пончыка, вядомага як BESSY II, у Берліне, дзе электроны паскараюцца, пакуль яны не рухаюцца амаль са хуткасцю святла.Затым гэтыя хутка рухаюцца электроны выпраменьваюць надзвычай яркае рэнтгенаўскае выпраменьванне.
«Мы робім гэтыя рэнтгенаўскія здымкі і выкарыстоўваем іх як святло ў нашым мікраскопе», — кажа Фолвен.
Паколькі электроны рухаюцца вакол сінхратрона групамі, падзеленыя дзвюма нанасекундамі, рэнтгенаўскае выпраменьванне, якое яны выпраменьваюць, прыходзіць у выглядзе дакладных імпульсаў.
Сканіруючы трансмісійны рэнтгенаўскі мікраскоп, або STXM, прымае гэтыя рэнтгенаўскія прамяні, каб стварыць здымак магнітнай структуры матэрыялу.Злучыўшы гэтыя здымкі разам, даследчыкі могуць стварыць фільм, які паказвае, як мікрамагніт змяняецца з цягам часу.
З дапамогай STXM Фолвен і яго калегі ўзбудзілі свае мікрамагніты імпульсам току, які генераваў магнітнае поле, і ўбачылі, як дамены мяняюць форму, а ядро віхуры рухаецца ад цэнтра.
«У вас ёсць вельмі маленькі магніт, а потым вы тыкаеце ў яго і спрабуеце ўявіць, як ён зноў асядае», — кажа ён.Пасля яны ўбачылі, як ядро вяртаецца ў сярэдзіну, але па звілістым шляху, а не па прамой лініі.
«Гэта будзе як бы танцаваць назад у цэнтр», - кажа Фолвен.
Адзін промах і ўсё скончана
Гэта таму, што яны вывучаюць эпітаксійныя матэрыялы, якія ствараюцца на падкладцы, што дазваляе даследчыкам наладжваць уласцівасці матэрыялу, але блакуе рэнтгенаўскае выпраменьванне ў STXM.
Працуючы ў NTNU NanoLab, даследчыкі вырашылі праблему падкладкі, пахаваўшы свой мікрамагніт пад пластом вугляроду, каб абараніць яго магнітныя ўласцівасці.
Затым яны асцярожна і дакладна адшчапілі падкладку знізу сфакусаваным пучком іёнаў галію, пакуль не застаўся толькі вельмі тонкі пласт.Карпатлівы працэс можа заняць восем гадзін на ўзор, і адзін промах можа стаць катастрофай.
«Крытычна важна тое, што калі вы знішчыце магнетызм, мы не даведаемся пра гэта да таго, як сядзем у Берліне», — кажа ён.«Хітрасць, вядома, у тым, каб прынесці больш чым адзін узор».
Ад фундаментальнай фізікі да прылад будучыні
На шчасце, гэта спрацавала, і каманда выкарыстала старанна падрыхтаваныя ўзоры, каб выявіць, як дамены мікрамагніта растуць і скарачаюцца з цягам часу.Яны таксама стварылі камп'ютэрнае мадэляванне, каб лепш зразумець, якія сілы дзейнічаюць.
Акрамя пашырэння ведаў аб фундаментальнай фізіцы, разуменне таго, як працуе магнетызм у гэтых маштабах працягласці і часу, можа быць карысным пры стварэнні будучых прылад.
Магнетызм ужо выкарыстоўваецца для захоўвання дадзеных, але даследчыкі ў цяперашні час шукаюць спосабы выкарыстоўваць яго далей.Магнітныя арыентацыі віхравога ядра і даменаў мікрамагніта, напрыклад, могуць быць выкарыстаны для кадавання інфармацыі ў выглядзе 0 і 1.
Цяпер даследчыкі імкнуцца паўтарыць гэтую працу з антыферамагнітнымі матэрыяламі, дзе выніковы эфект асобных магнітных момантаў нівелюецца.Гэта шматабяцальна, калі справа даходзіць да вылічэнняў - тэарэтычна, антыферамагнітныя матэрыялы могуць быць выкарыстаны для стварэння прылад, якія патрабуюць мала энергіі і застаюцца стабільнымі нават пры адключэнні электраэнергіі - але значна складаней даследаваць, таму што сігналы, якія яны вырабляюць, будуць значна слабейшымі .
Нягледзячы на гэты выклік, Фолвен настроены аптымістычна.«Мы ахапілі першую глебу, паказаўшы, што можам рабіць узоры і праглядаць іх з дапамогай рэнтгенаўскіх прамянёў», — кажа ён.«Наступным крокам будзе даведацца, ці зможам мы зрабіць узоры дастаткова высокай якасці, каб атрымаць дастатковы сігнал ад антыферамагнітнага матэрыялу».
Час публікацыі: 10 мая 2021 г