Mae ymchwilwyr o NTNU yn taflu golau ar ddeunyddiau magnetig ar raddfeydd bach trwy greu ffilmiau gyda chymorth rhai pelydrau-x llachar dros ben.
Aeth Erik Folven, cyd-gyfarwyddwr y Grŵp Electroneg Ocsid yn Adran Systemau Electronig NTNU, a chydweithwyr o Brifysgol NTNU a Ghent yng Ngwlad Belg yng Ngwlad Belg i weld sut mae micromagnets ffilm denau yn newid pan fydd maes magnetig allanol yn eu tarfu. Cyhoeddwyd y gwaith, a ariannwyd yn rhannol gan NTNU Nano a Chyngor Ymchwil Norwy, yn y cyfnodolyn Physical Review Research.
Magnetau bach
Dyfeisiodd Digernes annibynnol Einar y magnetau sgwâr bach a ddefnyddir yn yr arbrofion.
Y Magnetau Sgwâr Tiny, a grëwyd gan NTNU Ph.D. Mae'r ymgeisydd Einar Standal Digernes, yn ddim ond dau ficrometr o led ac wedi'u rhannu'n bedwar parth trionglog, pob un â chyfeiriadedd magnetig gwahanol yn pwyntio clocwedd neu'n wrthglocwedd o amgylch y magnetau.
Mewn rhai deunyddiau magnetig, mae grwpiau llai o atomau yn bandio gyda'i gilydd i ardaloedd o'r enw parthau, lle mae gan yr holl electronau'r un cyfeiriadedd magnetig.
Yn y magnetau NTNU, mae'r parthau hyn yn cwrdd ar bwynt canolog - craidd y fortecs - lle mae'r foment magnetig yn pwyntio'n uniongyrchol i mewn neu allan o awyren y deunydd.
“Pan fyddwn yn defnyddio maes magnetig, bydd mwy a mwy o’r parthau hyn yn pwyntio i’r un cyfeiriad,” meddai Folven. “Gallant dyfu a gallant grebachu, ac yna gallant uno â’i gilydd.”
Electronau bron ar gyflymder y golau
Nid yw'n hawdd gweld hyn yn digwydd. Aeth yr ymchwilwyr â'u micromagnets i synchrotron siâp toesen 80m o led, a elwir yn Bessy II, yn Berlin, lle mae electronau'n cael eu cyflymu nes eu bod yn teithio ar gyflymder bron y golau. Yna mae'r electronau sy'n symud yn gyflym yn allyrru pelydrau-x llachar iawn.
“Rydyn ni'n cymryd y pelydrau-x hyn ac yn eu defnyddio fel y golau yn ein microsgop,” meddai Folven.
Oherwydd bod electronau'n teithio o amgylch y synchrotron mewn sypiau wedi'u gwahanu gan ddau nanosecond, mae'r pelydrau-x y maent yn eu hallyrru yn dod mewn corbys manwl gywir.
Mae microsgop pelydr-X trawsyrru sganio, neu STXM, yn cymryd y pelydrau-X hynny i greu cipolwg ar strwythur magnetig y deunydd. Trwy bwytho'r cipluniau hyn gyda'i gilydd, gall yr ymchwilwyr greu ffilm yn y bôn yn dangos sut mae'r micromagnet yn newid dros amser.
Gyda chymorth y STXM, roedd Folven a'i gydweithwyr yn tarfu ar eu micromagnets â phwls o gerrynt a oedd yn cynhyrchu maes magnetig, ac a welodd y parthau yn newid siâp a chraidd y fortecs yn symud o'r canol.
“Mae gennych chi fagnet bach iawn, ac yna rydych chi'n ei brocio ac yn ceisio ei ddelweddu wrth iddo setlo eto,” meddai. Wedi hynny, gwelsant y craidd yn dychwelyd i'r canol - ond ar hyd llwybr troellog, nid llinell syth.
“Bydd yn fath o ddawnsio yn ôl i’r ganolfan,” meddai Folven.
Un slip ac mae drosodd
Mae hynny oherwydd eu bod yn astudio deunyddiau epitaxial, sy'n cael eu creu ar ben swbstrad sy'n caniatáu i ymchwilwyr newid priodweddau'r deunydd, ond a fyddai'n rhwystro'r pelydrau-X mewn STXM.
Gan weithio yn NTNU Nanolab, datrysodd yr ymchwilwyr broblem y swbstrad trwy gladdu eu micromagnet o dan haen o garbon i amddiffyn ei briodweddau magnetig.
Yna fe wnaethant dorri'r swbstrad oddi tano yn ofalus ac yn fanwl gywir gyda thrawst o ïonau gallium â ffocws nes mai dim ond haen denau iawn oedd ar ôl. Gallai'r broses ofalus gymryd wyth awr i bob sampl - a gallai un slip i fyny sillafu trychineb.
“Y peth beirniadol yw, os ydych chi'n lladd y magnetedd, ni fyddwn yn gwybod cyn i ni eistedd yn Berlin,” meddai. “Y tric, wrth gwrs, yw dod â mwy nag un sampl.”
O ffiseg sylfaenol i ddyfeisiau yn y dyfodol
Diolch byth iddo weithio, a defnyddiodd y tîm eu samplau a baratowyd yn ofalus i siartio sut mae parthau'r Micromagnet yn tyfu ac yn crebachu dros amser. Fe wnaethant hefyd greu efelychiadau cyfrifiadurol i ddeall yn well pa rymoedd oedd yn y gwaith.
Yn ogystal â hyrwyddo ein gwybodaeth am ffiseg sylfaenol, gallai deall sut mae magnetedd yn gweithio ar y graddfeydd hyd ac amser hyn fod yn ddefnyddiol wrth greu dyfeisiau yn y dyfodol.
Mae magnetedd eisoes yn cael ei ddefnyddio ar gyfer storio data, ond ar hyn o bryd mae ymchwilwyr yn chwilio am ffyrdd i'w ecsbloetio ymhellach. Efallai y gellid defnyddio cyfeiriadedd magnetig craidd fortecs a pharthau micromagnet, er enghraifft, i amgodio gwybodaeth ar ffurf 0s ac 1s.
Mae'r ymchwilwyr bellach yn anelu at ailadrodd y gwaith hwn gyda deunyddiau gwrth-ferromagnetig, lle mae effaith net yr eiliadau magnetig unigol yn canslo. Mae'r rhain yn addawol o ran cyfrifiadura-mewn theori, gellid defnyddio deunyddiau gwrth-ferromagnetig i wneud dyfeisiau nad oes angen fawr o egni arnynt ac sy'n parhau i fod yn sefydlog hyd yn oed pan gollir pŵer-ond yn llawer anoddach ymchwilio oherwydd bydd y signalau y maent yn eu cynhyrchu yn llawer gwannach.
Er gwaethaf yr her honno, mae Folven yn optimistaidd. “Rydyn ni wedi cwmpasu’r tir cyntaf trwy ddangos y gallwn ni wneud samplau ac edrych drwyddynt gyda phelydrau-X,” meddai. “Y cam nesaf fydd gweld a allwn wneud samplau o ansawdd digon uchel i gael digon o signal o ddeunydd gwrth-ferromagnetig.”
Amser Post: Mai-10-2021