Даследчыкі з NTNU даследуюць магнітныя матэрыялы ў малых маштабах, ствараючы фільмы з дапамогай надзвычай яркіх рэнтгенаўскіх прамянёў.
Эрык Фолвен, судырэктар групы аксіднай электронікі кафедры электронных сістэм NTNU, і яго калегі з NTNU і Генцкага ўніверсітэта ў Бельгіі вырашылі высветліць, як змяняюцца тонкаплёнкавыя мікрамагнетыкі пад уздзеяннем знешняга магнітнага поля. Праца, часткова прафінансаваная NTNU Nano і Даследчай радай Нарвегіі, была апублікаваная ў часопісе Physical Review Research.
Малюсенькія магніты
Эйнар Стандал Дыгернес вынайшаў малюсенькія квадратныя магніты, якія выкарыстоўваліся ў эксперыментах.
Мініяцюрныя квадратныя магніты, створаныя кандыдатам навук NTNU Эйнарам Стандалам Дыгернэсам, маюць шырыню ўсяго два мікраметры і падзелены на чатыры трохвугольныя вобласці, кожная з якіх мае розную магнітную арыентацыю, накіраваную па гадзіннікавай стрэлцы або супраць гадзіннікавай стрэлкі вакол магнітаў.
У некаторых магнітных матэрыялах меншыя групы атамаў аб'ядноўваюцца ў вобласці, якія называюцца даменамі, у якіх усе электроны маюць аднолькавую магнітную арыентацыю.
У магнітах NTNU гэтыя дамены сустракаюцца ў цэнтральнай кропцы — віхравым ядры, дзе магнітны момант накіраваны непасрэдна ў плоскасць матэрыялу або выходзіць з яе.
«Калі мы прыкладаем магнітнае поле, усё больш і больш гэтых даменаў будуць накіраваны ў адным кірунку», — кажа Фолвен. «Яны могуць расці і сціскацца, а потым злівацца адна з адной».
Электроны амаль з хуткасцю святла
Назіраць за гэтым няпроста. Даследчыкі аднеслі свае мікрамагніты да 80-метровага сінхратроннага пончыка ў Берліне, вядомага як BESSY II, дзе электроны паскараюцца, пакуль яны не пачнуць рухацца амаль з хуткасцю святла. Затым гэтыя хутка рухаючыяся электроны выпраменьваюць надзвычай яркія рэнтгенаўскія прамяні.
«Мы бярэм гэтыя рэнтгенаўскія прамяні і выкарыстоўваем іх у якасці святла ў нашым мікраскопе», — кажа Фолвен.
Паколькі электроны рухаюцца па сінхратроне згусткамі, падзеленымі дзвюма нанасекундамі, рэнтгенаўскія прамяні, якія яны выпраменьваюць, паступаюць у выглядзе дакладных імпульсаў.
Сканіруючы прасвечвальны рэнтгенаўскі мікраскоп, або STXM, бярэ гэтыя рэнтгенаўскія прамяні, каб стварыць здымак магнітнай структуры матэрыялу. Аб'ядноўваючы гэтыя здымкі, даследчыкі могуць па сутнасці стварыць фільм, які паказвае, як мікрамагніт змяняецца з цягам часу.
З дапамогай STXM Фолвен і яго калегі парушалі працу сваіх мікрамагнітаў імпульсам току, які генераваў магнітнае поле, і назіралі, як дамены змяняюць форму, а ядро віхуры рухаецца ад цэнтра.
«У вас ёсць вельмі маленькі магніт, а потым вы тыкаеце ў яго і спрабуеце сфатаграфаваць, як ён зноў асядае», — кажа ён. Пасля гэтага яны ўбачылі, як ядро вяртаецца ў цэнтр, але па звілістай траекторыі, а не па прамой лініі.
«Яно будзе нібыта танцаваць назад да цэнтра», — кажа Фолвен.
Адзін прамах, і ўсё скончана
Гэта таму, што яны вывучаюць эпітаксіяльныя матэрыялы, якія ствараюцца на падкладцы, што дазваляе даследчыкам змяняць уласцівасці матэрыялу, але блакуе рэнтгенаўскія прамяні ў STXM.
Працуючы ў NTNU NanoLab, даследчыкі вырашылі праблему з падкладкай, пахаваўшы свой мікрамагніт пад пластом вугляроду, каб абараніць яго магнітныя ўласцівасці.
Затым яны асцярожна і дакладна сколвалі падкладку сфакусаваным пучком іонаў галію, пакуль не заставаўся толькі вельмі тонкі пласт. Карпатлівы працэс мог займаць восем гадзін на кожны ўзор, і адна памылка магла абярнуцца катастрофай.
«Самае галоўнае — калі мы знішчым магнетызм, мы не даведаемся пра гэта, пакуль не сядзім у Берліне», — кажа ён. «Хітрасць, вядома, у тым, каб прывезці больш за адзін узор».
Ад фундаментальнай фізікі да будучых прылад
На шчасце, гэта спрацавала, і каманда выкарыстала старанна падрыхтаваныя ўзоры, каб прааналізаваць, як дамены мікрамагніта растуць і памяншаюцца з цягам часу. Яны таксама стварылі камп'ютэрнае мадэляванне, каб лепш зразумець, якія сілы дзейнічаюць.
Акрамя пашырэння нашых ведаў па фундаментальнай фізіцы, разуменне таго, як працуе магнетызм на такіх даўжынях і ў такіх часовых маштабах, можа быць карысным пры стварэнні будучых прылад.
Магнетызм ужо выкарыстоўваецца для захоўвання дадзеных, але даследчыкі ў цяперашні час шукаюць спосабы яго далейшага выкарыстання. Напрыклад, магнітная арыентацыя віхравага ядра і даменаў мікрамагнета магнетычнага тыпу ...
Зараз даследчыкі імкнуцца паўтарыць гэтую працу з антыферамагнітнымі матэрыяламі, дзе чысты эфект асобных магнітных момантаў кампенсуецца. Такія даследаванні перспектыўныя ў галіне вылічэнняў — тэарэтычна, антыферамагнітныя матэрыялы можна выкарыстоўваць для стварэння прылад, якія патрабуюць мала энергіі і застаюцца стабільнымі нават пры адключэнні харчавання, — але іх значна складаней даследаваць, бо сігналы, якія яны ствараюць, будуць значна слабейшымі.
Нягледзячы на гэтую праблему, Фолвен настроены аптымістычна. «Мы ўжо прайшлі першы этап, паказаўшы, што можам рабіць узоры і праглядаць іх з дапамогай рэнтгенаўскіх прамянёў», — кажа ён. «Наступным крокам будзе высветліць, ці можам мы рабіць узоры дастаткова высокай якасці, каб атрымаць дастатковую колькасць сігналу ад антыферамагнітнага матэрыялу».
Час публікацыі: 10 мая 2021 г.