Istraživači sa NTNU bacaju svjetlo na magnetne materijale u malim razmjerima stvarajući filmove uz pomoć nekih izuzetno svijetlih rendgenskih zraka.
Erik Folven, ko-direktor grupe za oksidnu elektroniku na NTNU-ovom Odsjeku za elektronske sisteme, i kolege sa NTNU-a i Univerziteta Ghent u Belgiji, krenuli su da vide kako se mikromagneti tankog filma mijenjaju kada ih poremeti vanjsko magnetsko polje.Rad, koji su djelimično finansirali NTNU Nano i Istraživačko vijeće Norveške, objavljeno je u časopisu Physical Review Research.
Mali magneti
Einar Standal Digernes izumio je male kvadratne magnete korištene u eksperimentima.
Mali kvadratni magneti, kreirani od strane NTNU Ph.D.kandidata Einar Standal Digernes, široki su samo dva mikrometra i podijeljeni u četiri trokutna domena, od kojih svaki ima različitu magnetnu orijentaciju usmjerenu u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu oko magneta.
U određenim magnetnim materijalima, manje grupe atoma spajaju se u područja koja se nazivaju domeni, u kojima svi elektroni imaju istu magnetnu orijentaciju.
U NTNU magnetima, ovi domeni se susreću u centralnoj tački – vrtložnom jezgru – gde magnetni moment pokazuje direktno u ili van ravni materijala.
„Kada primenimo magnetno polje, sve više i više ovih domena će biti usmereno u istom pravcu“, kaže Folven.“One mogu rasti i mogu se smanjiti, a onda se mogu stopiti jedna u drugu.”
Elektroni gotovo brzinom svjetlosti
Nije lako vidjeti da se ovo dešava.Istraživači su odnijeli svoje mikromagnete u sinhrotron u obliku krafne širine 80 metara, poznat kao BESSY II, u Berlinu, gdje se elektroni ubrzavaju dok ne putuju skoro brzinom svjetlosti.Ti elektroni koji se brzo kreću tada emituju izuzetno sjajne rendgenske zrake.
„Uzmemo ove rendgenske zrake i koristimo ih kao svjetlo u našem mikroskopu,“ kaže Folven.
Budući da elektroni putuju 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 napravio snimak magnetne strukture materijala.Spajajući ove snimke, istraživači u suštini mogu stvoriti film koji pokazuje kako se mikromagnet mijenja tokom vremena.
Uz pomoć STXM-a, Folven i njegove kolege uznemirili su svoje mikromagnete impulsom struje koji je stvorio magnetsko polje i vidjeli da domeni mijenjaju oblik i da se jezgro vrtloga pomiče iz centra.
„Imate veoma mali magnet, a onda ga probodete i pokušate da ga zamislite kako se ponovo slegne“, kaže on.Nakon toga, vidjeli su kako se jezgro vraća u sredinu - ali duž krivudave staze, a ne prave linije.
„Nekako će se vratiti u centar“, kaže Folven.
Jedan lapsus i gotovo je
To je zato što proučavaju epitaksijalne materijale, koji se stvaraju na vrhu supstrata koji omogućava istraživačima da podese svojstva materijala, ali bi blokirali X-zrake u STXM-u.
Radeći u NTNU NanoLab, istraživači su riješili problem supstrata tako što su svoj mikromagnet zakopali ispod sloja ugljika kako bi zaštitili njegova magnetna svojstva.
Zatim su pažljivo i precizno otkinuli podlogu ispod sa fokusiranim snopom jona galijuma sve dok nije ostao samo vrlo tanak sloj.Mukotrpan proces mogao bi potrajati osam sati po uzorku - a jedan promašaj mogao bi značiti katastrofu.
„Kritično je da, ako ubijete magnetizam, to nećemo znati pre nego što sednemo u Berlin“, kaže on.“Trik je, naravno, donijeti više od jednog uzorka.”
Od fundamentalne fizike do budućih uređaja
Srećom, to je uspjelo, a tim je koristio svoje pažljivo pripremljene uzorke kako bi prikazao kako domeni mikromagneta rastu i smanjuju se tokom vremena.Takođe su kreirali kompjuterske simulacije kako bi bolje razumjeli koje su sile na djelu.
Pored unapređenja našeg znanja o fundamentalnoj fizici, razumijevanje kako magnetizam funkcionira na ovim dužinama i vremenskim skalama moglo bi biti od pomoći u stvaranju budućih uređaja.
Magnetizam se već koristi za skladištenje podataka, ali istraživači trenutno traže načine da ga dalje iskoriste.Magnetske orijentacije jezgra vrtloga i domena mikromagneta, na primjer, mogu se možda koristiti za kodiranje informacija u obliku 0s i 1s.
Istraživači sada imaju za cilj da ponove ovaj rad s anti-feromagnetnim materijalima, gdje se neto efekat pojedinačnih magnetnih momenata poništava.One su obećavajuće kada je u pitanju računarstvo – u teoriji, anti-feromagnetni materijali bi se mogli koristiti za pravljenje uređaja koji zahtijevaju malo energije i koji ostaju stabilni čak i kada se energija izgubi – ali mnogo je teže istražiti jer će signali koje proizvode biti mnogo slabiji .
Uprkos tom izazovu, Folven je optimista.„Pokrili smo prvi teren 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 dobijemo dovoljno signala od anti-feromagnetnog materijala.”
Vrijeme objave: maj-10-2021