Investigadors de la NTNU estan donant a conèixer materials magnètics a petita escala creant pel·lícules amb l'ajuda d'uns raigs X extremadament brillants.
Erik Folven, codirector del grup d'electrònica d'òxid del Departament de Sistemes Electrònics de la NTNU, i col·legues de la NTNU i la Universitat de Gant a Bèlgica es van proposar veure com canvien els microimants de pel·lícula fina quan són pertorbats per un camp magnètic exterior. El treball, finançat parcialment per NTNU Nano i el Consell de Recerca de Noruega, es va publicar a la revista Physical Review Research.
Imants petits
Einar Standal Digernes va inventar els diminuts imants quadrats que es feien servir en els experiments.
Els diminuts imants quadrats, creats pel candidat a doctorat de la NTNU Einar Standal Digernes, tenen només dos micròmetres d'amplada i es divideixen en quatre dominis triangulars, cadascun amb una orientació magnètica diferent apuntant en sentit horari o antihorari al voltant dels imants.
En certs materials magnètics, grups més petits d'àtoms s'uneixen en zones anomenades dominis, en què tots els electrons tenen la mateixa orientació magnètica.
En els imants NTNU, aquests dominis es troben en un punt central —el nucli del vòrtex— on el moment magnètic apunta directament dins o fora del pla del material.
«Quan apliquem un camp magnètic, cada cop més d'aquests dominis apuntaran en la mateixa direcció», diu Folven. «Poden créixer i reduir-se, i després es poden fusionar entre si».
Electrons gairebé a la velocitat de la llum
Veure que això passi no és fàcil. Els investigadors van portar els seus microimants a un sincrotró en forma de dònut de 80 m d'amplada, conegut com a BESSY II, a Berlín, on els electrons s'acceleren fins que viatgen gairebé a la velocitat de la llum. Aquests electrons que es mouen ràpidament emeten raigs X extremadament brillants.
«Prenem aquests raigs X i els fem servir com a llum al nostre microscopi», diu Folven.
Com que els electrons viatgen al voltant del sincrotró en grups separats per dos nanosegons, els raigs X que emeten arriben en polsos precisos.
Un microscopi de raigs X de transmissió d'escombratge, o STXM, pren aquests raigs X per crear una instantània de l'estructura magnètica del material. En unir aquestes instantànies, els investigadors poden crear essencialment una pel·lícula que mostra com canvia el microimant amb el temps.
Amb l'ajuda de l'STXM, Folven i els seus col·legues van pertorbar els seus microimants amb un pols de corrent que generava un camp magnètic i van veure com els dominis canviaven de forma i el nucli del vòrtex es movia des del centre.
«Tens un imant molt petit, i després el punxes i intentes visualitzar-lo mentre es torna a assentar», diu. Després, van veure com el nucli tornava al centre, però seguint un camí sinuós, no una línia recta.
«En certa manera ballarà de tornada al centre», diu Folven.
Una relliscada i s'ha acabat
Això és degut a que estudien materials epitaxials, que es creen sobre un substrat que permet als investigadors modificar les propietats del material, però que bloquejaria els raigs X en un STXM.
Treballant al NanoLab de NTNU, els investigadors van resoldre el problema del substrat enterrant el seu microimant sota una capa de carboni per protegir les seves propietats magnètiques.
Després, van esmicolar amb cura i precisió el substrat que hi havia a sota amb un feix concentrat d'ions de gal·li fins que només en va quedar una capa molt fina. El procés minuciós podia trigar vuit hores per mostra, i un sol error podia ser un desastre.
«El més important és que, si mates el magnetisme, no ho sabrem abans d'estar asseguts a Berlín», diu. «El truc, és clar, és portar més d'una mostra».
De la física fonamental als dispositius del futur
Afortunadament va funcionar, i l'equip va utilitzar les seves mostres preparades acuradament per representar gràficament com els dominis del microimant creixen i es redueixen amb el temps. També van crear simulacions per ordinador per entendre millor quines forces estaven en joc.
A més d'avançar en el nostre coneixement de la física fonamental, comprendre com funciona el magnetisme a aquestes escales de longitud i temps podria ser útil per crear futurs dispositius.
El magnetisme ja s'utilitza per a l'emmagatzematge de dades, però actualment els investigadors busquen maneres d'explotar-lo més. Les orientacions magnètiques del nucli del vòrtex i els dominis d'un microimant, per exemple, es podrien utilitzar per codificar informació en forma de 0 i 1.
Els investigadors ara volen repetir aquest treball amb materials antiferromagnètics, on l'efecte net dels moments magnètics individuals es cancel·la. Aquests materials són prometedors pel que fa a la informàtica (en teoria, els materials antiferromagnètics es podrien utilitzar per fabricar dispositius que requereixin poca energia i es mantinguin estables fins i tot quan es perd energia), però són molt més complicats d'investigar perquè els senyals que produeixen seran molt més febles.
Malgrat aquest repte, Folven es mostra optimista. «Hem cobert el primer camí demostrant que podem fer mostres i examinar-les amb raigs X», diu. «El següent pas serà veure si podem fer mostres de qualitat prou alta per obtenir prou senyal d'un material antiferromagnètic».
Data de publicació: 10 de maig de 2021