Forscher von NTNU werfen Licht auf magnetische Materialien auf kleinen Maßstäben aus, indem sie mit Hilfe einiger extrem heller Röntgenstrahlen Filme erstellen.
Erik Folven, Co-Direktor der Oxid-Elektronikgruppe in der NTNU-Abteilung für elektronische Systeme, und Kollegen aus der NTNU und der Gent University in Belgien machten sich auf den Weg, um zu sehen, wie sich die Mikromagnetze von Dünnfilmen ändern, wenn sie durch ein externen Magnetfeld gestört wurden. Die Arbeiten, die teilweise von NTNU Nano und dem Forschungsrat von Norwegen finanziert wurde, wurde in der Zeitschrift Physical Review Research veröffentlicht.
Winzige Magnete
Einar Standal Digernes erfand die in den Experimenten verwendeten winzigen quadratischen Magneten.
Die winzigen quadratischen Magnete, die von Ntnu Ph.D. Kandidat Einar Standal Digernes sind nur zwei Mikrometer breit und in vier dreieckige Domänen aufgeteilt, jeweils eine andere magnetische Orientierung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um die Magneten.
In bestimmten magnetischen Materialien verbinden sich kleinere Gruppen von Atomen in Bereiche, die als Domänen bezeichnet werden und in denen alle Elektronen die gleiche magnetische Orientierung aufweisen.
In den NTNU -Magneten treffen sich diese Domänen an einem zentralen Punkt - dem Wirbelkern -, wo der magnetische Moment direkt in oder außerhalb der Ebene des Materials zeigt.
„Wenn wir ein Magnetfeld anwenden, zeigen immer mehr dieser Bereiche in die gleiche Richtung“, sagt Folven. "Sie können wachsen und können schrumpfen und dann können sie zueinander verschmelzen."
Elektronen fast mit Lichtgeschwindigkeit
Dies passiert, ist nicht einfach. Die Forscher brachten ihre Mikromagnette in ein 80 m breites Donut-förmiger Synchrotron, bekannt als Bessy II, in Berlin, wo die Elektronen beschleunigt werden, bis sie mit fast Lichtgeschwindigkeit reisen. Diese schnell bewegenden Elektronen emittieren dann extrem helle Röntgenstrahlen.
"Wir nehmen diese Röntgenstrahlen und verwenden sie als Licht in unserem Mikroskop", sagt Foren.
Da Elektronen in Trauben, die durch zwei Nanosekunden getrennt sind, um das Synchrotron wandern, sind die Röntgenstrahlen, die sie ausgeben, in präzisen Impulsen erhältlich.
Ein Raschenröntgenmikroskop oder STXM nimmt diese Röntgenstrahlen ein, um einen Schnappschuss der Magnetstruktur des Materials zu erzeugen. Durch die Zusammenhänge dieser Schnappschüsse können die Forscher im Wesentlichen einen Film erstellen, der zeigt, wie sich das Mikroromagnet im Laufe der Zeit verändert.
Mit Hilfe des STXM störten Folven und seine Kollegen ihre Mikromagnette mit einem Stromimpuls, der ein Magnetfeld erzeugte, und sahen, wie sich die Domänen die Form änderten und sich der Vortex -Kern von der Mitte bewegte.
"Sie haben einen sehr kleinen Magneten, und dann stupst du ihn und versuchst es vorzustellen, wie es sich wieder niederlässt", sagt er. Danach sahen sie, dass der Kern in die Mitte zurückkehrte - aber entlang eines Wicklungsweges, nicht auf einer geraden Linie.
"Es wird irgendwie in das Zentrum tanzen", sagt Folven.
Ein Ausrutscher und es ist vorbei
Dies liegt daran, dass sie epitaxiale Materialien untersuchen, die über ein Substrat erzeugt werden, mit dem Forscher die Eigenschaften des Materials anpassen können, die Röntgenstrahlen jedoch in einem STXM blockieren würden.
Die Forscher arbeiteten in Ntnu -Nanolab und lösten das Substratproblem, indem sie ihr Mikromagnet unter einer Kohlenstoffschicht begraben, um seine magnetischen Eigenschaften zu schützen.
Dann haben sie das Substrat sorgfältig und genau mit einem fokussierten Strahl von Galliumionen weggeblasen, bis nur eine sehr dünne Schicht blieb. Der sorgfältige Prozess könnte acht Stunden pro Probe dauern - und ein Ausrutscher könnte eine Katastrophe bedeuten.
"Das Kritische ist, dass wir, wenn Sie den Magnetismus töten, das nicht wissen, bevor wir in Berlin sitzen", sagt er. "Der Trick besteht natürlich darin, mehr als eine Probe zu bringen."
Von der grundlegenden Physik bis zu zukünftigen Geräten
Zum Glück hat es funktioniert, und das Team benutzte seine sorgfältig vorbereiteten Proben, um zu zeichnen, wie die Domänen des Micromagnet im Laufe der Zeit wachsen und schrumpfen. Sie erstellten auch Computersimulationen, um besser zu verstehen, welche Kräfte am Werk waren.
Das Verständnis der Funktionsweise von Magnetismus in dieser Länge- und Zeitskala kann nicht nur unser Wissen über die grundlegende Physik vorantreiben, sondern kann bei der Erstellung zukünftiger Geräte hilfreich sein.
Der Magnetismus wird bereits für die Datenspeicherung verwendet, aber Forscher suchen derzeit nach Möglichkeiten, es weiter auszunutzen. Die magnetischen Orientierungen des Wirbelkerns und der Domänen eines Mikromagnets könnten beispielsweise möglicherweise verwendet werden, um Informationen in Form von 0S und 1s zu codieren.
Die Forscher wollen diese Arbeit nun mit antifromagnetischen Materialien wiederholen, wobei der Nettoeffekt der einzelnen magnetischen Momente ausgeht. Diese sind vielversprechend, wenn es um Computer geht-in der Theorie können anti-ferromagnetische Materialien verwendet werden, um Geräte herzustellen, die wenig Energie erfordern und auch dann stabil bleiben, wenn die Macht verloren geht-aber viel schwieriger zu untersuchen, weil die von ihnen produzierten Signale viel schwächer sein werden.
Trotz dieser Herausforderung ist Folven optimistisch. „Wir haben den ersten Boden abgedeckt, indem wir gezeigt haben, dass wir Proben erstellen und mit Röntgenstrahlen durchsehen können“, sagt er. "Der nächste Schritt besteht darin, zu sehen, ob wir Proben von ausreichend hoher Qualität erstellen können, um aus einem antifromagnetischen Material ausreichend Signal zu erhalten."
Postzeit: Mai-10-2021