Изследователи от NTNU хвърлят светлина върху магнитни материали на малки мащаби, като създават филми с помощта на някои изключително ярки рентгенови лъчи.
Ерик Фолвен, сърежисьор на групата на Oxide Electronics в отдела за електронни системи на NTNU, и колеги от университета NTNU и Гент в Белгия се заемат да видят как се променят микромагнитите от тънък филм, когато са нарушени от външно магнитно поле. Работата, частично финансирана от NTNU Nano и изследователския съвет на Норвегия, е публикувана в списанието Physical Review Research.
Малки магнити
Einar Standal Digernes изобретява малките квадратни магнити, използвани в експериментите.
Малките квадратни магнити, създадени от доктор на NTNU. Кандидатът Einar Standal Digernes е само два микрометра и се разделят на четири триъгълни домена, всеки с различна магнитна ориентация, насочена по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка около магнитите.
В определени магнитни материали по -малките групи атоми се групират в области, наречени домейни, в които всички електрони имат една и съща магнитна ориентация.
В магнитите NTNU тези домейни се срещат в централна точка - вихровата сърцевина - където магнитният момент сочи директно в или извън равнината на материала.
„Когато приложим магнитно поле, все повече от тези домейни ще сочат в същата посока“, казва Фолвен. „Те могат да растат и те могат да се свият, а след това могат да се слеят един в друг.“
Електрони почти със скоростта на светлината
Да видиш това да се случи не е лесно. Изследователите взеха своите микромагнити в синхротрон във формата на поничка във форма на 80 м, известен като Беси II, в Берлин, където електроните се ускоряват, докато не пътуват с почти скоростта на светлината. След това тези бързо движещи се електрони излъчват изключително ярки рентгенови лъчи.
„Ние приемаме тези рентгенови лъчи и ги използваме като светлина в нашия микроскоп“, казва Фолвен.
Тъй като електроните обикалят синхротрона в купчини, разделени от две наносекунди, рентгеновите лъчи, които излъчват, се предлагат в точни импулси.
Сканиращ рентгенов микроскоп за предаване или STXM отнема тези рентгенови лъчи, за да създаде моментна снимка на магнитната структура на материала. Чрез зашиване на тези снимки заедно, изследователите по същество могат да създадат филм, показващ как микромагнитът се променя с течение на времето.
С помощта на STXM Фолвен и неговите колеги нарушават микромагнитите си с импулс от ток, който генерира магнитно поле, и видяха, че домейните променят формата и вихровата сърцевина се движи от центъра.
„Имате много малък магнит и след това го пробивате и се опитвате да го изобразите, както се установява отново“, казва той. След това те видяха ядрото да се върне в средата - но по криволичеща пътека, а не права линия.
„Това ще танцува обратно в центъра“, казва Фолвен.
Едно приплъзване и свърши
Това е така, защото те изучават епитаксиални материали, които са създадени отгоре на субстрат, който позволява на изследователите да оправят свойствата на материала, но биха блокирали рентгеновите лъчи в STXM.
Работейки в NTNU Nanolab, изследователите решиха проблема с субстрата, като погребаха микромагнита си под слой въглерод, за да защитят неговите магнитни свойства.
След това те внимателно и прецизно откъснаха субстрата отдолу с фокусиран лъч от галиеви йони, докато не остане само много тънък слой. Старателният процес може да отнеме осем часа на проба - и едно приплъзване може да заклина бедствие.
„Критичното е, че ако убиете магнетизма, няма да знаем това, преди да седнем в Берлин“, казва той. „Номерът е, разбира се, да донесете повече от една проба.“
От фундаментална физика до бъдещи устройства
За щастие работи и екипът използва внимателно подготвените си проби, за да очертае как растат и свиват домейните на микромагнита с течение на времето. Те също така създадоха компютърни симулации, за да разберат по -добре какви сили са на работа.
Освен че усъвършенстваме познанията ни за основната физика, разбирането как работи магнетизмът при тези мащаби на дължината и времето може да бъде полезно при създаването на бъдещи устройства.
Магнетизмът вече се използва за съхранение на данни, но в момента изследователите търсят начини да го експлоатират допълнително. Магнитните ориентации на вихровото ядро и домейните на микромагнит, например, може би се използват за кодиране на информация под формата на 0 и 1s.
Сега изследователите се стремят да повторят тази работа с антиферомагнитни материали, където нетният ефект от отделните магнитни моменти отменя. Те са обещаващи, когато става въпрос за изчисления-в теория, антиферромагнитните материали могат да се използват за изработка на устройства, които изискват малко енергия и да останат стабилни, дори когато мощността е загубена-но много по-сложно за изследване, тъй като сигналите, които произвеждат, ще бъдат много по-слаби.
Въпреки това предизвикателство, Фолвен е оптимист. „Покрихме първото място, като показахме, че можем да правим проби и да ги разгледаме през тях с рентгенови лъчи“, казва той. „Следващата стъпка ще бъде да видим дали можем да направим проби с достатъчно високо качество, за да получим достатъчно сигнал от антиферомагнитен материал.“
Време за публикация: Май-10-2021