Изследователи от NTNU хвърлят светлина върху магнитните материали в малки мащаби, като създават филми с помощта на някои изключително ярки рентгенови лъчи.
Ерик Фолвен, съдиректор на групата по оксидна електроника в катедрата по електронни системи на NTNU, и колеги от NTNU и университета в Гент в Белгия се заеха да видят как тънкослойните микромагнити се променят, когато са нарушени от външно магнитно поле. Работата, частично финансирана от NTNU Nano и Научноизследователския съвет на Норвегия, беше публикувана в списанието Physical Review Research.
Малки магнити
Ейнар Стандал Дигернес изобретил малките квадратни магнити, използвани в експериментите.
Малките квадратни магнити, създадени от докторанта на NTNU Ейнар Стандал Дигернес, са широки само два микрометра и са разделени на четири триъгълни домейна, всеки с различна магнитна ориентация, насочена по часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка около магнитите.
В някои магнитни материали по-малки групи атоми се обединяват в области, наречени домейни, в които всички електрони имат еднаква магнитна ориентация.
В магнитите NTNU тези домейни се срещат в централна точка – вихровото ядро – където магнитният момент сочи директно навътре или навън от равнината на материала.
„Когато прилагаме магнитно поле, все повече и повече от тези домейни ще сочат в една и съща посока“, казва Фолвен. „Те могат да растат и да се свиват, а след това да се сливат един с друг.“
Електрони почти със скоростта на светлината
Да се види това не е лесно. Изследователите са преместили своите микромагнити в 80-метров синхротрон с форма на поничка, известен като BESSY II, в Берлин, където електроните се ускоряват, докато започнат да се движат почти със скоростта на светлината. Тези бързо движещи се електрони след това излъчват изключително ярки рентгенови лъчи.
„Взимаме тези рентгенови лъчи и ги използваме като светлина в нашия микроскоп“, казва Фолвен.
Тъй като електроните се движат около синхротрона на снопове, разделени от две наносекунди, рентгеновите лъчи, които те излъчват, идват в прецизни импулси.
Сканиращ трансмисионен рентгенов микроскоп, или STXM, използва тези рентгенови лъчи, за да създаде моментна снимка на магнитната структура на материала. Чрез съединяване на тези снимки, изследователите могат по същество да създадат филм, показващ как микромагнитът се променя с течение на времето.
С помощта на STXM, Фолвен и колегите му смутиха своите микромагнити с импулс на ток, който генерира магнитно поле, и видяха как домените променят формата си и вихровото ядро се движи от центъра.
„Имате много малък магнит и след това го бутвате и се опитвате да го изобразите, докато се установява отново“, казва той. След това те видели как ядрото се връща към средата – но по криволичещ път, а не по права линия.
„Ще се върне някак си към центъра“, казва Фолвен.
Едно подхлъзване и всичко е свършено
Това е така, защото те изучават епитаксиални материали, които се създават върху субстрат, който позволява на изследователите да променят свойствата на материала, но би блокирал рентгеновите лъчи в STXM.
Работейки в NTNU NanoLab, изследователите решили проблема със субстрата, като заровили своя микромагнит под слой въглерод, за да защитят магнитните му свойства.
След това те внимателно и прецизно отстраняваха подложката отдолу с фокусиран лъч галиеви йони, докато не останеше само много тънък слой. Мъчителният процес можеше да отнеме осем часа на проба - и едно гафче можеше да доведе до катастрофа.
„Най-важното е, че ако убиете магнетизма, няма да знаем това, преди да седнем в Берлин“, казва той. „Номерът е, разбира се, да донесем повече от една проба.“
От фундаментална физика до бъдещи устройства
За щастие, това проработи и екипът използва внимателно подготвените си проби, за да очертае как домените на микромагнита растат и се свиват с течение на времето. Те също така създадоха компютърни симулации, за да разберат по-добре какви сили действат.
Освен че ще разширим познанията си по фундаментална физика, разбирането как работи магнетизмът при тези дължини и времеви мащаби би могло да бъде полезно при създаването на бъдещи устройства.
Магнетизмът вече се използва за съхранение на данни, но изследователите в момента търсят начини да го използват допълнително. Магнитните ориентации на вихровото ядро и домейните на микромагнит, например, биха могли да се използват за кодиране на информация под формата на 0 и 1.
Сега изследователите се стремят да повторят тази работа с антиферомагнитни материали, където нетният ефект на отделните магнитни моменти се неутрализира. Те са обещаващи, когато става въпрос за изчисления – на теория антиферомагнитните материали биха могли да се използват за създаване на устройства, които изискват малко енергия и остават стабилни дори при прекъсване на захранването – но са много по-трудни за изследване, защото сигналите, които произвеждат, ще бъдат много по-слаби.
Въпреки това предизвикателство, Фолвен е оптимист. „Покрихме първата ни точка, като показахме, че можем да правим проби и да ги изследваме 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 на публикуване: 10 май 2021 г.