Forscher der NTNU beleuchten magnetische Materialien im kleinen Maßstab, indem sie mit Hilfe einiger extrem heller Röntgenstrahlen Filme erstellen.
Erik Folven, Co-Direktor der Gruppe für Oxidelektronik am Department of Electronic Systems der NTNU, und Kollegen von der NTNU und der Universität Gent in Belgien wollten herausfinden, wie sich Dünnschicht-Mikromagnete verändern, wenn sie durch ein äußeres Magnetfeld gestört werden.Die teilweise von NTNU Nano und dem norwegischen Forschungsrat finanzierte Arbeit wurde in der Zeitschrift Physical Review Research veröffentlicht.
Winzige Magnete
Einar Standal Digernes erfand die winzigen quadratischen Magnete, die in den Experimenten verwendet wurden.
Die winzigen quadratischen Magnete, entwickelt von NTNU Ph.D.Kandidat Einar Standal Digernes, sind nur zwei Mikrometer breit und in vier dreieckige Domänen aufgeteilt, jede mit einer unterschiedlichen magnetischen Ausrichtung, die im oder gegen den Uhrzeigersinn um die Magnete herum zeigt.
In bestimmten magnetischen Materialien schließen sich kleinere Gruppen von Atomen zu sogenannten Domänen zusammen, in denen alle Elektronen die gleiche magnetische Ausrichtung haben.
In den NTNU-Magneten treffen diese Domänen an einem zentralen Punkt – dem Wirbelkern – zusammen, wo das magnetische Moment direkt in oder aus der Materialebene zeigt.
„Wenn wir ein Magnetfeld anlegen, zeigen immer mehr dieser Domänen in die gleiche Richtung“, sagt Folven.„Sie können wachsen und schrumpfen, und dann können sie ineinander verschmelzen.“
Elektronen fast mit Lichtgeschwindigkeit
Es ist nicht einfach, dies mit anzusehen.Die Forscher brachten ihre Mikromagnete zu einem 80 m breiten Donut-förmigen Synchrotron namens BESSY II in Berlin, wo Elektronen beschleunigt werden, bis sie sich nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.Diese sich schnell bewegenden Elektronen emittieren dann extrem helle Röntgenstrahlen.
„Wir nehmen diese Röntgenstrahlen auf und nutzen sie als Licht in unserem Mikroskop“, sagt Folven.
Da sich Elektronen in Paketen im Abstand von zwei Nanosekunden um das Synchrotron bewegen, erfolgt die von ihnen emittierte Röntgenstrahlung in präzisen Impulsen.
Ein Rastertransmissions-Röntgenmikroskop (STXM) nimmt diese Röntgenstrahlen auf, um eine Momentaufnahme der magnetischen Struktur des Materials zu erstellen.Durch das Zusammenfügen dieser Schnappschüsse können die Forscher im Wesentlichen einen Film erstellen, der zeigt, wie sich der Mikromagnet im Laufe der Zeit verändert.
Mit Hilfe des STXM störten Folven und seine Kollegen ihre Mikromagnete mit einem Stromimpuls, der ein Magnetfeld erzeugte, und sahen, wie die Domänen ihre Form änderten und der Wirbelkern sich aus der Mitte bewegte.
„Sie haben einen sehr kleinen Magneten, und dann stoßen Sie ihn an und versuchen, sich vorzustellen, wie er sich wieder stabilisiert“, sagt er.Danach sahen sie, wie der Kern in die Mitte zurückkehrte – allerdings auf einem gewundenen Weg, nicht auf einer geraden Linie.
„Es wird sozusagen zurück in die Mitte tanzen“, sagt Folven.
Ein Ausrutscher und es ist vorbei
Das liegt daran, dass sie epitaktische Materialien untersuchen, die auf einem Substrat erzeugt werden, das es den Forschern ermöglicht, die Eigenschaften des Materials zu optimieren, in einem STXM jedoch die Röntgenstrahlen blockieren würde.
Bei der Arbeit im NTNU NanoLab lösten die Forscher das Substratproblem, indem sie ihren Mikromagneten unter einer Kohlenstoffschicht vergruben, um seine magnetischen Eigenschaften zu schützen.
Anschließend hoben sie das darunter liegende Substrat vorsichtig und präzise mit einem fokussierten Strahl aus Galliumionen ab, bis nur noch eine sehr dünne Schicht übrig blieb.Der mühsame Prozess könnte pro Probe acht Stunden dauern – und ein einziger Fehler könnte eine Katastrophe bedeuten.
„Das Entscheidende ist, dass wir das nicht wissen, bevor wir in Berlin sitzen, wenn man den Magnetismus tötet“, sagt er.„Der Trick besteht natürlich darin, mehr als eine Probe mitzubringen.“
Von der Grundlagenphysik bis hin zu zukünftigen Geräten
Glücklicherweise funktionierte es, und das Team nutzte seine sorgfältig vorbereiteten Proben, um aufzuzeichnen, wie die Domänen des Mikromagneten im Laufe der Zeit wachsen und schrumpfen.Sie erstellten auch Computersimulationen, um besser zu verstehen, welche Kräfte am Werk waren.
Das Verständnis der Funktionsweise des Magnetismus auf diesen Längen- und Zeitskalen könnte nicht nur unser Wissen über die Grundlagenphysik erweitern, sondern auch bei der Entwicklung zukünftiger Geräte hilfreich sein.
Magnetismus wird bereits zur Datenspeicherung genutzt, doch Forscher suchen derzeit nach Möglichkeiten, ihn weiter zu nutzen.Die magnetischen Ausrichtungen des Wirbelkerns und der Domänen eines Mikromagneten könnten beispielsweise möglicherweise verwendet werden, um Informationen in Form von Nullen und Einsen zu kodieren.
Die Forscher wollen diese Arbeit nun mit antiferromagnetischen Materialien wiederholen, bei denen sich der Nettoeffekt der einzelnen magnetischen Momente aufhebt.Diese sind aus rechnerischer Sicht vielversprechend – theoretisch könnten aus antiferromagnetischen Materialien Geräte hergestellt werden, die wenig Energie verbrauchen und auch bei Stromausfall stabil bleiben –, sind aber viel schwieriger zu untersuchen, da die von ihnen erzeugten Signale viel schwächer sein werden .
Trotz dieser Herausforderung ist Folven optimistisch.„Wir haben den ersten Grundstein gelegt, indem wir gezeigt haben, dass wir Proben herstellen und sie mit Röntgenstrahlen durchschauen können“, sagt er.„Der nächste Schritt wird darin bestehen, herauszufinden, ob wir Proben von ausreichend hoher Qualität herstellen können, um ein ausreichendes Signal von einem antiferromagnetischen Material zu erhalten.“
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 10. Mai 2021