Forskere fra NTNU kaster lys over magnetiske materialer i små skalaer ved at skabe film ved hjælp af nogle ekstremt lyse røntgenstråler.
Erik Folven, co-direktør for Oxide Electronics Group ved NTNU's Department of Electronic Systems, og kolleger fra NTNU og Gent University i Belgien begyndte at se, hvordan tyndfilm mikromagneter ændres, når de forstyrres af et udvendigt magnetisk felt. Arbejdet, delvist finansieret af NTNU Nano og Research Council of Norge, blev offentliggjort i Journal Physical Review Research.
Små magneter
Einar fristående diger opfandt de små firkantede magneter, der blev anvendt i eksperimenterne.
De små firkantede magneter, skabt af NTNU Ph.D. Kandidaten Einar fristående diger er kun to mikrometer brede og opdelt i fire trekantede domæner, hver med en anden magnetisk orientering, der peger med uret eller mod uret omkring magneterne.
I visse magnetiske materialer banker mindre grupper af atomer sammen til områder kaldet domæner, hvor alle elektroner har den samme magnetiske orientering.
I NTNU -magneterne mødes disse domæner på et centralt punkt - hvirvelkernen - hvor det magnetiske øjeblik 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 krympe, og så kan de smelte sammen til hinanden.”
Elektroner næsten med lysets hastighed
At se dette ske er ikke let. Forskerne tog deres mikromagneter til en 80 m bred donutformet synchrotron, kendt som Bessy II, i Berlin, hvor elektroner accelereres, indtil de rejser med næsten lysets hastighed. Disse hurtigt bevægende elektroner udsender derefter ekstremt lyse røntgenstråler.
”Vi tager disse røntgenstråler og bruger dem som lyset i vores mikroskop,” siger Folven.
Da elektroner bevæger sig rundt i synchrotronen i bundter adskilt af to nanosekunder, kommer de røntgenstråler, de udsender, i præcise impulser.
Et scanningsoverførsels røntgenmikroskop eller STXM tager disse røntgenstråler for at skabe et snapshot af materialets magnetiske struktur. Ved at sy disse snapshots sammen kan forskerne i det væsentlige skabe en film, der viser, hvordan mikromagneten ændrer sig over tid.
Ved hjælp af STXM forstyrrede Folven og hans kolleger deres mikromagnets med en strøm af strøm, der genererede et magnetfelt, og så domænerne ændre form, og hvirvelkernen bevæger sig fra midten.
”Du har en meget lille magnet, og så stikker du den og prøver at forestille den, når den sætter sig igen,” siger han. Bagefter så de kernen vende tilbage til midten - men langs en snoede sti, ikke en lige linje.
”Det vil slags danse tilbage til centrum,” siger Folven.
En slip, og det er forbi
Det er fordi de studerer epitaksiale materialer, der er skabt oven på et underlag, der giver forskere mulighed for at finpusse materialets egenskaber, men ville blokere røntgenstrålerne i en STXM.
Arbejdet i NTNU Nanolab løste forskerne underlagets problem ved at begrave deres mikromagnet under et lag kulstof for at beskytte dets magnetiske egenskaber.
Derefter flisede de omhyggeligt og præcist substratet nedenunder med en fokuseret bjælke af galliumioner, indtil kun et meget tyndt lag var tilbage. Den omhyggelige proces kunne tage otte timer pr. Prøve - og en glide kunne stave katastrofe.
”Den kritiske ting er, at hvis du dræber magnetismen, ved vi ikke det, før vi sidder i Berlin,” siger han. ”Tricket er selvfølgelig at bringe mere end en prøve.”
Fra grundlæggende fysik til fremtidige enheder
Heldigvis virkede det, og teamet brugte deres omhyggeligt forberedte prøver til at kortlægge, hvordan mikromagnets domæner vokser og krymper over tid. De skabte også computersimuleringer for bedre at forstå, hvilke kræfter der var på arbejde.
Ud over at fremme vores viden om grundlæggende fysik, kan forstå, hvordan magnetisme fungerer i disse længde- og tidsskalaer, være nyttige til at skabe fremtidige enheder.
Magnetisme bruges allerede til datalagring, men forskere er i øjeblikket på udkig efter måder at udnytte den yderligere på. De magnetiske orienteringer af hvirvelkernen og domænerne af en mikromagnet, for eksempel, kunne måske bruges til at kode information i form af 0s og 1s.
Forskerne sigter nu mod at gentage dette arbejde med anti-ferromagnetiske materialer, hvor nettovirkningen af de individuelle magnetiske øjeblikke annullerer. Disse er lovende, når det kommer til computing-i teori kunne anti-ferromagnetiske materialer bruges til at fremstille enheder, der kræver lidt energi og forbliver stabile, selv når strømmen går tabt-men meget vanskeligere at undersøge, fordi de signaler, de producerer, vil være meget svagere.
På trods af denne udfordring er Folven optimistisk. ”Vi har dækket den første jord ved at vise, at vi kan lave prøver og se gennem dem med røntgenstråler,” siger han. ”Det næste trin vil være at se, om vi kan lave prøver af tilstrækkelig høj kvalitet til at få nok signal fra et anti-ferromagnetisk materiale.”
Posttid: maj-10-2021