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 svoje 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 iz fundamentalne fizike, razumijevanje načina na koji 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. Magnetske 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.