Forskere fra NTNU kaster lys over magnetiske materialer i små skalaer ved at lave film ved hjælp af ekstremt klare røntgenstråler.
Erik Folven, meddirektør for oxidelektronikgruppen ved NTNU's Institut for Elektroniske Systemer, og kolleger fra NTNU og Ghent Universitet i Belgien satte sig for at undersøge, hvordan tyndfilmsmikromagneter ændrer sig, når de forstyrres af et eksternt magnetfelt. Arbejdet, der delvist er finansieret af NTNU Nano og Norges Forskningsråd, blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Research.
Små magneter
Einar Standal Digernes opfandt de små firkantede magneter, der blev brugt i eksperimenterne.
De små firkantede magneter, skabt af NTNU ph.d.-kandidat Einar Standal Digernes, er kun to mikrometer brede og opdelt i fire trekantede domæner, der hver har en forskellig magnetisk orientering, der peger med eller mod uret omkring magneterne.
I visse magnetiske materialer binder mindre grupper af atomer sig sammen i områder kaldet domæner, hvor alle elektronerne har den samme magnetiske orientering.
I NTNU-magneterne mødes disse domæner i et centralt punkt – hvirvelkernen – hvor det magnetiske moment peger direkte ind eller ud af materialets plan.
"Når vi anvender et magnetfelt, vil flere og flere af disse domæner pege i samme retning," siger Folven. "De kan vokse og de kan skrumpe, og så kan de smelte sammen."
Elektroner næsten med lysets hastighed
Det er ikke let at se dette ske. Forskerne tog deres mikromagneter med til en 80 meter bred donutformet synkrotron, kendt som BESSY II, i Berlin, hvor elektroner accelereres, indtil de bevæger sig med næsten lysets hastighed. Disse hurtigt bevægende elektroner udsender derefter ekstremt klare røntgenstråler.
"Vi tager disse røntgenstråler og bruger dem som lys i vores mikroskop," siger Folven.
Fordi elektroner bevæger sig rundt i synkrotronen i bundter adskilt af to nanosekunder, kommer de røntgenstråler, de udsender, i præcise pulser.
Et scanning transmission x-ray mikroskop, eller STXM, bruger disse røntgenstråler til at skabe et øjebliksbillede af materialets magnetiske struktur. Ved at sammensætte disse øjebliksbilleder kan forskerne i bund og grund lave en film, der viser, hvordan mikromagneten ændrer sig over tid.
Ved hjælp af STXM forstyrrede Folven og hans kolleger deres mikromagneter med en strømpuls, der genererede et magnetfelt, og så domænerne ændre form og hvirvelkernen bevæge sig fra midten.
"Man har en meget lille magnet, og så stikker man til den og prøver at forestille sig den, mens den sætter sig igen," siger han. Bagefter så de kernen vende tilbage til midten – men langs en snoet bane, ikke en lige linje.
"Det vil ligesom danse tilbage til midten," siger Folven.
Én smuttur, og det er slut
Det skyldes, at de studerer epitaksiale materialer, som er skabt oven på et substrat, der giver forskere mulighed for at justere materialets egenskaber, men som ville blokere røntgenstrålerne i en STXM.
I NTNU NanoLab løste forskerne substratproblemet ved at begrave deres mikromagnet under et lag af kulstof for at beskytte dets magnetiske egenskaber.
Derefter fjernede de omhyggeligt og præcist substratet nedenunder med en fokuseret stråle af galliumioner, indtil kun et meget tyndt lag var tilbage. Den omhyggelige proces kunne tage otte timer pr. prøve – og én fejl kunne betyde katastrofe.
"Det afgørende er, at hvis man dræber magnetismen, ved vi det ikke, før vi sidder i Berlin," siger han. "Tricket er selvfølgelig at medbringe mere end én prøve."
Fra grundlæggende fysik til fremtidens apparater
Heldigvis virkede det, og holdet brugte deres omhyggeligt forberedte prøver til at kortlægge, hvordan mikromagnetens domæner vokser og skrumper over tid. De skabte også computersimuleringer for bedre at forstå, hvilke kræfter der var på spil.
Udover at forbedre vores viden om grundlæggende fysik, kan en forståelse af, hvordan magnetisme fungerer på disse længde- og tidsskalaer, være nyttig til at skabe fremtidige apparater.
Magnetisme bruges allerede til datalagring, men forskere leder i øjeblikket efter måder at udnytte det yderligere på. De magnetiske orienteringer af vortexkernen og domænerne i en mikromagnet kunne for eksempel måske bruges til at kode information i form af 0'ere og 1'ere.
Forskerne sigter nu mod at gentage dette arbejde med antiferromagnetiske materialer, hvor nettoeffekten af de individuelle magnetiske momenter ophæver hinanden. Disse er lovende, når det kommer til databehandling – i teorien kan antiferromagnetiske materialer bruges til at lave enheder, der kræver lidt energi og forbliver stabile, selv når strømmen går tabt – men de er meget vanskeligere at undersøge, fordi de signaler, de producerer, vil være meget svagere.
Trods den udfordring er Folven optimistisk. "Vi har dækket det første skridt ved at vise, at vi kan lave prøver og gennemgå dem med røntgenstråler," siger han. "Det næste skridt bliver at se, om vi kan lave prøver af tilstrækkelig høj kvalitet til at få nok signal fra et antiferromagnetisk materiale."
Udsendelsestidspunkt: 10. maj 2021