Výzkumníci z NTNU zkoumají magnetické materiály v malém měřítku vytvářením filmů s pomocí extrémně jasného rentgenového záření.
Erik Folven, spoluředitel skupiny oxidové elektroniky na katedře elektronických systémů NTNU, a kolegové z NTNU a Ghentské univerzity v Belgii se vydali na průzkum, jak se tenkovrstvé mikromagnety mění, když jsou narušeny vnějším magnetickým polem. Práce, částečně financovaná NTNU Nano a Norskou výzkumnou radou, byla publikována v časopise Physical Review Research.
Drobné magnety
Einar Standal Digernes vynalezl drobné čtvercové magnety používané v experimentech.
Drobné čtvercové magnety, které vytvořil doktorand NTNU Einar Standal Digernes, jsou široké pouhé dva mikrometry a rozděleny do čtyř trojúhelníkových domén, z nichž každá má jinou magnetickou orientaci směřující ve směru nebo proti směru hodinových ručiček kolem magnetů.
V některých magnetických materiálech se menší skupiny atomů spojují do oblastí zvaných domény, ve kterých mají všechny elektrony stejnou magnetickou orientaci.
V magnetech NTNU se tyto domény setkávají v centrálním bodě – vírovém jádru – kde magnetický moment směřuje přímo do roviny materiálu nebo z ní ven.
„Když na ně aplikujeme magnetické pole, stále více těchto domén bude směřovat stejným směrem,“ říká Folven. „Mohou růst a zmenšovat se a pak se mohou sloučit.“
Elektrony téměř rychlostí světla
Vidět tohle není snadné. Vědci vzali své mikromagnety do 80 metrů širokého synchrotronu ve tvaru koblihy, známého jako BESSY II, v Berlíně, kde jsou elektrony urychlovány, dokud se nebudou pohybovat téměř rychlostí světla. Tyto rychle se pohybující elektrony pak emitují extrémně jasné rentgenové záření.
„Toto rentgenové záření používáme jako světlo v našem mikroskopu,“ říká Folven.
Protože elektrony putují synchrotronem ve shlukech oddělených dvěma nanosekundami, rentgenové záření, které emitují, přichází v přesných pulzech.
Skenovací transmisní rentgenový mikroskop (STXM) zachycuje tyto rentgenové paprsky a vytváří snímek magnetické struktury materiálu. Spojením těchto snímků mohou vědci v podstatě vytvořit film, který ukazuje, jak se mikromagnet v průběhu času mění.
S pomocí STXM Folven a jeho kolegové narušili své mikromagnety pulzem proudu, který generoval magnetické pole, a pozorovali, jak domény mění tvar a jádro víru se pohybuje od středu.
„Máte velmi malý magnet a pak do něj píchnete a snažíte se ho zobrazit, jak se znovu usazuje,“ říká. Poté viděli, jak se jádro vrací do středu – ale po klikaté dráze, nikoli po přímé linii.
„Bude se to jakoby tančit zpátky do středu,“ říká Folven.
Jeden přešlap a je konec
Je to proto, že studují epitaxní materiály, které se vytvářejí na povrchu substrátu, jenž umožňuje vědcům upravovat vlastnosti materiálu, ale v STXM blokuje rentgenové záření.
Vědci pracující v NTNU NanoLab vyřešili problém se substrátem tak, že svůj mikromagnet zakopali pod vrstvu uhlíku, aby ochránili jeho magnetické vlastnosti.
Pak opatrně a přesně odštípávali substrát pod ním zaostřeným paprskem iontů galia, dokud nezůstala jen velmi tenká vrstva. Tento pečlivý proces mohl trvat osm hodin na jeden vzorek – a jediné překlepy mohly znamenat katastrofu.
„Klíčové je, že pokud zničíte magnetismus, nebudeme to vědět dříve, než se usadíme v Berlíně,“ říká. „Trikem je samozřejmě přinést více než jeden vzorek.“
Od základní fyziky k budoucím zařízením
Naštěstí to fungovalo a tým použil pečlivě připravené vzorky k zmapování toho, jak domény mikromagnetu v průběhu času rostou a zmenšují se. Také vytvořili počítačové simulace, aby lépe pochopili, jaké síly působí.
Kromě rozšíření našich znalostí základní fyziky by pochopení fungování magnetismu v těchto délkových a časových měřítcích mohlo být užitečné při vytváření budoucích zařízení.
Magnetismus se již používá k ukládání dat, ale vědci v současné době hledají způsoby, jak ho dále využít. Například magnetická orientace vírového jádra a domén mikromagnetu by mohla být použita ke kódování informací ve formě nul a jedniček.
Vědci se nyní snaží tuto práci zopakovat s antiferomagnetickými materiály, kde se celkový vliv jednotlivých magnetických momentů vyruší. Tyto materiály jsou slibné, pokud jde o výpočetní techniku – teoreticky by se antiferomagnetické materiály mohly použít k výrobě zařízení, která vyžadují málo energie a zůstávají stabilní i při výpadku napájení – ale jejich zkoumání je mnohem složitější, protože signály, které produkují, budou mnohem slabší.
Navzdory této výzvě je Folven optimistický. „První možnost jsme zvládli tím, že jsme ukázali, že dokážeme vyrobit vzorky a prozkoumat je pomocí rentgenového záření,“ říká. „Dalším krokem bude zjistit, zda dokážeme vyrobit vzorky dostatečně vysoké kvality, abychom získali dostatek signálu z antiferomagnetického materiálu.“
Čas zveřejnění: 10. května 2021