Els investigadors de NTNU estan fent llum sobre materials magnètics a petites escales creant pel·lícules amb l'ajuda d'alguns raigs X extremadament brillants.
Erik Folven, codirector del grup d’electrònica d’òxids al Departament de Sistemes Electrònics de NTNU i col·legues de NTNU i Universitat de Gant a Bèlgica es van proposar veure com canvien els micromagnets de pel·lícula fina quan es molestaven per un camp magnètic extern. El treball, parcialment finançat per NTNU Nano i el Consell de Recerca de Noruega, es va publicar a la revista Physical Review Research.
Petits imants
Els Digernes autònoms Einar van inventar els minúsculs imants quadrats utilitzats en els experiments.
Els minúsculs imants quadrats, creats per NTNU PH.D. Els digerns autònoms dels candidats, tenen només dos micròmetres d'ample i es divideixen en quatre dominis triangulars, cadascun amb una orientació magnètica diferent que apunta en el sentit de les agulles del rellotge o anti-rellotge al voltant dels imants.
En determinats 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 de vòrtex—, on el moment magnètic apunta directament dins o fora del pla del material.
"Quan apliquem un camp magnètic, cada vegada més d'aquests dominis apuntaran en la mateixa direcció", afirma Folven. "Poden créixer i poden reduir -se, i després es poden fusionar entre ells."
Electrons gairebé a la velocitat de la llum
Veure que això passi no és fàcil. Els investigadors van portar els seus micromagnets a un sincrotró en forma de bunyol de 80 m, conegut com Bessy II, a Berlín, on els electrons s’acceleren fins que viatgen a gairebé la velocitat de la llum. Aquests electrons que es mouen ràpidament emeten radiografies X extremadament brillants.
"Agafem aquestes radiografies i les utilitzem com a llum al nostre microscopi", afirma Folven.
Com que els electrons viatgen al voltant del sincrotró en raïms separats per dos nanosegons, les radiografies que emeten provenen de polsos precisos.
Un microscopi de raigs X de transmissió d’escaneig, o STXM, pren aquestes radiografies per crear una instantània de l’estructura magnètica del material. En cosir aquestes instantànies juntes, els investigadors poden crear essencialment una pel·lícula que mostri com canvia el micromagnet amb el pas del temps.
Amb l’ajuda del STXM, Folven i els seus col·legues van alterar els seus micromagnets amb un pols de corrent que va generar un camp magnètic i van veure que els dominis canviaven de forma i el nucli de vòrtex es mou del centre.
"Teniu un imant molt petit, i després el feu i intenteu imaginar -lo a mesura que es torna a establir", diu. Després, van veure que el nucli tornava al centre, però al llarg d’un camí sinuós, no d’una línia recta.
"Tornarà a ballar al centre", diu Folven.
Un lliscament i s’ha acabat
Això és degut a que estudien materials epitaxials, que es creen a sobre d’un substrat que permet als investigadors ajustar les propietats del material, però bloquejarien les radiografies en un STXM.
Treballant a NTNU Nanolab, els investigadors van solucionar el problema del substrat enterrant el seu micromagnet sota una capa de carboni per protegir les seves propietats magnètiques.
A continuació, van xifrar amb cura i precisament el substrat que hi ha a sota amb un feix centrat d’ions de gali fins que només quedava una capa molt fina. El procés acurador podria trigar vuit hores per mostra, i un desplegament podria provocar desastres.
"El més crític és que, si maten el magnetisme, no ho sabrem abans que ens asseiem a Berlín", afirma. "El truc és, per descomptat, portar més d'una mostra."
Des de la física fonamental fins als futurs dispositius
Per sort va funcionar i l’equip va utilitzar les seves mostres preparades amb cura per traçar com creixen i s’encongeixen els dominis del micromagnet amb el pas del temps. També van crear simulacions informàtiques per entendre millor quines forces estaven treballant.
A més d’avançar el nostre coneixement de la física fonamental, comprendre el funcionament del magnetisme a aquestes escales de temps i temps pot ser útil per crear dispositius futurs.
El magnetisme ja s’utilitza per a l’emmagatzematge de dades, però actualment els investigadors busquen maneres d’explotar -lo encara més. Les orientacions magnètiques del nucli de vòrtex i els dominis d’un micromagnet, per exemple, potser es podrien utilitzar per codificar informació en forma de 0 i 1s.
Els investigadors tenen l'objectiu de repetir aquest treball amb materials anti-ferromagnètics, on l'efecte net dels moments magnètics individuals anul·la. Són prometedors quan es tracta de la informàtica —en teoria, es podrien utilitzar materials anti-ferromagnètics per fer dispositius que requereixen poca energia i romandre estables fins i tot quan es perd la potència, però molt més complicat d’investigar perquè els senyals que produeixen seran molt més febles.
Malgrat aquest repte, Folven és optimista. "Hem cobert el primer terreny demostrant que podem fer mostres i mirar-les amb radiografies", afirma. "El següent pas serà veure si podem fer mostres de qualitat suficient per obtenir prou senyal d'un material anti-ferromagnètic."
Hora de la publicació: 10-2021 de maig