Vědci z NTNU vylučují světlo na magnetické materiály v malých měřítcích vytvářením filmů pomocí některých extrémně jasných rentgenových paprsků.
Erik Folven, spoluzakladatel skupiny oxidové elektroniky na oddělení elektronických systémů NTNU, a jeho kolegové z NTNU a Ghent University v Belgii se rozhodli vidět, jak se tenkovrstvé mikromagnety mění, když jsou narušeny vnějším magnetickým polem. Práce, částečně financovaná NTNU Nano a Norskou Radou pro výzkum, byla zveřejněna v časopise Physical Review Research.
Malé magnety
Einar Stand Ital DiGernes vynalezl malé čtvercové magnety použité v experimentech.
Drobné čtvercové magnety, vytvořené NTNU Ph.D. Kandidát Einar Standál Digernes, jsou jen dva mikrometry široké a rozdělené do čtyř trojúhelníkových domén, z nichž každá má odlišnou magnetickou orientaci směřující ve směru hodinových ručiček 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 - jádro víru - kde magnetický moment ukazuje přímo dovnitř nebo ven z roviny materiálu.
"Když použijeme magnetické pole, bude stále více z těchto domén ukazovat stejným směrem," říká Folven. "Mohou růst a mohou se zmenšit a pak se mohou spojit do sebe."
Elektrony téměř při rychlosti světla
Vidění toho, že se to stane, není snadné. Vědci vzali své mikromagnety na 80m širokovou synchrotronu ve tvaru koblihy, známé jako Bessy II, v Berlíně, kde se elektrony zrychlují, dokud nejezdí téměř rychlostí světla. Tyto rychle se pohybující elektrony poté vyzařují extrémně jasné rentgenové paprsky.
"Bereme tyto rentgenové paprsky a používáme je jako světlo v našem mikroskopu," říká Folven.
Protože elektrony cestují kolem synchrotronu v svazcích oddělených dvěma nanosekundy, rentgenové paprsky, které emitují, přicházejí v přesných impulsech.
Rentgenový mikroskop skenování přenosu, neboli STXM, tyto rentgenové paprsky vezme k vytvoření snímek magnetické struktury materiálu. Šití těchto snímků dohromady mohou vědci v podstatě vytvořit film, který ukazuje, jak se mikromagnet v průběhu času mění.
S pomocí STXM Folven a jeho kolegové narušili jejich mikromagnety pulsem proudu, který generoval magnetické pole, a viděl, jak se domény mění tvar a jádro víru ze středu.
"Máte velmi malý magnet, a pak ho strkáte a pokusíte se ho otočit, jak se znovu usadí," říká. Poté viděli, jak se jádro vrátí do středu - ale podél klikaté cesty, ne přímky.
"Bude to tančit zpět do centra," říká Folven.
Jeden skluz a je po všem
Je to proto, že studují epitaxiální materiály, které jsou vytvářeny na vrcholu substrátu, který umožňuje vědcům vyladit vlastnosti materiálu, ale blokují rentgenové paprsky v STXM.
Práce v NTNU Nanolab vědci vyřešili problém substrátu pohřbením mikromagnetu pod vrstvou uhlíku, aby chránili jeho magnetické vlastnosti.
Potom pečlivě a přesně odtáčeli substrát pod zaostřeným paprskem galliových iontů, dokud nezůstala jen velmi tenká vrstva. Pečlivý proces může trvat osm hodin na vzorek - a jedna sklouznutí mohlo hláskovat katastrofu.
"Kritickou věcí je, že pokud zabijete magnetismus, nebudeme to vědět, než sedíme v Berlíně," říká. "Trik je samozřejmě přinést více než jeden vzorek."
Od základní fyziky po budoucí zařízení
Naštěstí to fungovalo a tým použil své pečlivě připravené vzorky, aby zmapoval, jak domény mikromagnetu rostou a v průběhu času se zmenšují. Vytvořili také počítačové simulace, aby lépe porozuměli tomu, jaké síly jsou v práci.
Kromě rozvoje našich znalostí o základní fyzice, pochopení toho, jak magnetismus funguje v těchto délkách a časových stupnicích, by mohlo být užitečné při vytváření budoucích zařízení.
Magnetismus se již používá pro ukládání dat, ale vědci v současné době hledají způsoby, jak jej dále využít. Například magnetické orientace jádra víru a domén mikromagnetu by se možná mohly použít k kódování informací ve formě 0s a 1s.
Vědci nyní usilují o opakování této práce s anti-ferromagnetickými materiály, kde se čistý účinek jednotlivých magnetických momentů ruší ven. To je slibné, pokud jde o výpočetní techniku-v teorii, anti-ferromagnetické materiály by mohly být použity k výrobě zařízení, která vyžadují malou energii a zůstanou stabilní, i když je ztracena energie-ale mnohem složitější k prozkoumání, protože signály, které produkují, budou mnohem slabší.
Navzdory této výzvě je Folven optimistický. "První půdu jsme zakryli tím, že jsme ukázali, že můžeme vyrobit vzorky a dívat se skrz je rentgenovými paprsky," říká. "Dalším krokem bude zjistit, zda dokážeme vyrobit vzorky dostatečné kvality, abychom získali dostatek signálu z anti-ferromagnetického materiálu."
Čas příspěvku: 10.-20.-2021