Els investigadors de NTNU estan il·luminant 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'òxid del Departament de Sistemes Electrònics de NTNU, i col·legues de NTNU i la Universitat de Gant a Bèlgica es van proposar veure com canvien els microimants de pel·lícula prima 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.
Petits imants
Einar Standal Digernes va inventar els petits imants quadrats utilitzats en els experiments.
Els petits imants quadrats, creats per NTNU Ph.D.candidat 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 determinats materials magnètics, grups més petits d'àtoms s'uneixen en àrees anomenades dominis, en les quals 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 es poden reduir, i després es poden fusionar els uns amb els altres".
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 donut de 80 m d'ample, conegut com BESSY II, a Berlín, on els electrons s'acceleren fins que viatgen a gairebé la velocitat de la llum.Aleshores, aquests electrons de moviment ràpid emeten raigs X extremadament brillants.
"Agafem aquests raigs X i els utilitzem 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'escaneig, 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 mostri 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 que els dominis canviaven de forma i el nucli del vòrtex es movia des del centre.
"Tens un imant molt petit, i després l'enfonses i intentes imaginar-lo a mesura que es torna a instal·lar", diu.Després, van veure que el nucli tornava al mig, però per un camí sinuós, no una línia recta.
"Es tornarà a ballar al centre", diu Folven.
Una relliscada i s'ha acabat
Això es deu al fet que estudien materials epitaxials, que es creen a sobre d'un substrat que permet als investigadors ajustar les propietats del material, però bloquejarien els raigs X en un STXM.
Treballant a NTNU NanoLab, els investigadors van resoldre el problema del substrat enterrant el seu microimant sota una capa de carboni per protegir les seves propietats magnètiques.
Llavors van tallar amb cura i precisió el substrat de sota amb un feix focalitzat d'ions de gal·li fins que només va quedar una capa molt fina.El procés minuciós podria trigar vuit hores per mostra, i un error podria significar un desastre.
"El més important és que, si mates el magnetisme, no ho sabrem abans de seure a Berlín", diu."El truc és, per descomptat, portar més d'una mostra".
De la física fonamental als dispositius futurs
Afortunadament, va funcionar i l'equip va utilitzar les seves mostres curosament preparades per dibuixar com creixen i es redueixen els dominis del microimant amb el pas del temps.També van crear simulacions per ordinador per entendre millor quines forces actuaven.
A més d'avançar en el nostre coneixement de la física fonamental, entendre com funciona el magnetisme a aquestes escales de longitud i temps podria ser útil per crear dispositius futurs.
El magnetisme ja s'utilitza per a l'emmagatzematge de dades, però actualment els investigadors estan buscant maneres d'explotar-lo més.Les orientacions magnètiques del nucli del vòrtex i els dominis d'un microimant, per exemple, potser es podrien utilitzar per codificar informació en forma de 0 i 1.
Els investigadors ara pretenen repetir aquest treball amb materials antiferromagnètics, on s'anul·la l'efecte net dels moments magnètics individuals.Aquests són prometedors quan es tracta d'informàtica (en teoria, es podrien utilitzar materials antiferromagnètics per fabricar dispositius que requereixen poca energia i es mantenen estables fins i tot quan es perd energia), però és 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 raigs X", diu."El següent pas serà veure si podem fer mostres de qualitat prou alta com per obtenir prou senyal d'un material antiferromagnètic".
Hora de publicació: 10-maig-2021