Istraživači sa NTNU-a istražuju magnetske materijale u malim razmjerima stvarajući filmove uz pomoć izuzetno svijetlih rendgenskih zraka.
Erik Folven, kodirektor grupe za oksidnu elektroniku na Odsjeku za elektronske sisteme NTNU-a, i kolege sa NTNU-a i Univerziteta u Gentu u Belgiji krenuli su da vide kako se tankoslojni mikromagneti mijenjaju kada ih poremeti vanjsko magnetsko polje. Rad, koji su djelimično finansirali NTNU Nano i Istraživačko vijeće Norveške, objavljen je u časopisu Physical Review Research.
Sitni magneti
Einar Standal Digernes je izumio sitne kvadratne magnete koji su korišteni u eksperimentima.
Sitni kvadratni magneti, koje je kreirao doktorand NTNU-a Einar Standal Digernes, široki su samo dva mikrometra i podijeljeni su u četiri trokutasta domena, od kojih svaka ima drugačiju magnetsku orijentaciju usmjerenu u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu oko magneta.
U određenim magnetskim materijalima, manje grupe atoma se povezuju u područja koja se nazivaju domene, u kojima svi elektroni imaju istu magnetsku orijentaciju.
U NTNU magnetima, ovi domeni se susreću u centralnoj tački - vrtložnom jezgru - gdje magnetski moment pokazuje direktno u ili izvan ravni materijala.
„Kada primijenimo magnetno polje, sve više i više ovih domena će biti usmjereno u istom smjeru“, kaže Folven. „One mogu rasti i mogu se smanjivati, a zatim se mogu spojiti jedna s drugom.“
Elektroni gotovo brzinom svjetlosti
Nije lako vidjeti ovo kako se dešava. Istraživači su svoje mikromagnete odnijeli u sinhrotron u obliku krofne širine 80 metara, poznat kao BESSY II, u Berlinu, gdje se elektroni ubrzavaju sve dok ne počnu putovati gotovo brzinom svjetlosti. Ti brzi elektroni zatim emituju izuzetno svijetle rendgenske zrake.
„Uzimamo ove rendgenske zrake i koristimo ih kao svjetlo u našem mikroskopu“, kaže Folven.
Budući da se elektroni kreću oko sinhrotrona u snopovima razdvojenim za dvije nanosekunde, rendgenski zraci koje emituju dolaze u preciznim impulsima.
Skenirajući transmisijski rendgenski mikroskop, ili STXM, uzima te rendgenske zrake kako bi stvorio snimak magnetske strukture materijala. Spajanjem ovih snimaka, istraživači u suštini mogu stvoriti film koji prikazuje kako se mikromagnet mijenja tokom vremena.
Uz pomoć STXM-a, Folven i njegove kolege su poremetili svoje mikromagnete pulsom struje koji je generirao magnetsko polje, te su vidjeli kako domene mijenjaju oblik i kako se jezgro vrtloga pomiče iz centra.
„Imate vrlo mali magnet, a zatim ga ubodete i pokušate da ga slikate dok se ponovo smiruje“, kaže on. Nakon toga, vidjeli su kako se jezgro vraća u sredinu - ali duž vijugave putanje, a ne ravne linije.
„Nekako će se plesom vratiti u centar“, kaže Folven.
Jedan propust i gotovo je
To je zato što proučavaju epitaksijalne materijale, koji se stvaraju na vrhu podloge koja omogućava istraživačima da podešavaju svojstva materijala, ali bi blokirala rendgenske zrake u STXM-u.
Radeći u NTNU NanoLabu, istraživači su riješili problem supstrata tako što su svoj mikromagnet zakopali ispod sloja ugljika kako bi zaštitili njegova magnetska svojstva.
Zatim su pažljivo i precizno uklanjali supstrat ispod fokusiranim snopom galijevih iona sve dok nije ostao samo vrlo tanak sloj. Mukotrpan proces mogao je trajati osam sati po uzorku - a jedan propust mogao je značiti katastrofu.
„Ključna stvar je da, ako uništite magnetizam, to nećemo znati prije nego što sjednemo u Berlin“, kaže on. „Trik je, naravno, donijeti više od jednog uzorka.“
Od fundamentalne fizike do budućih uređaja
Srećom, uspjelo je, a tim je koristio pažljivo pripremljene uzorke kako bi mapirao kako domene mikromagneta rastu i smanjuju se tokom vremena. Također su kreirali kompjuterske simulacije kako bi bolje razumjeli koje sile djeluju.
Pored unapređenja našeg znanja o fundamentalnoj fizici, razumijevanje kako magnetizam funkcioniše na ovim dužinskim i vremenskim skalama moglo bi biti korisno u stvaranju budućih uređaja.
Magnetizam se već koristi za pohranu podataka, ali istraživači trenutno traže načine da ga dalje iskoriste. Magnetne orijentacije vrtložnog jezgra i domena mikromagneta, na primjer, mogle bi se možda koristiti za kodiranje informacija u obliku 0 i 1.
Istraživači sada imaju za cilj da ponove ovaj rad sa antiferomagnetnim materijalima, gdje se neto efekat pojedinačnih magnetnih momenata poništava. Ovo su obećavajući materijali kada je u pitanju računarstvo - teoretski, antiferomagnetni materijali bi se mogli koristiti za izradu uređaja koji zahtijevaju malo energije i ostaju stabilni čak i kada se napajanje prekine - ali je mnogo teže istražiti jer će signali koje proizvode biti mnogo slabiji.
Uprkos tom izazovu, Folven je optimističan. „Pokrili smo prvu granu pokazujući da možemo napraviti uzorke i pregledati ih rendgenskim zracima“, kaže on. „Sljedeći korak će biti vidjeti možemo li napraviti uzorke dovoljno visokog kvaliteta da bismo dobili dovoljno signala iz antiferomagnetnog materijala.“
Vrijeme objave: 10. maj 2021.