Ερευνητές από το NTNU ρίχνουν φως σε μαγνητικά υλικά σε μικρή κλίμακα δημιουργώντας ταινίες με τη βοήθεια ορισμένων εξαιρετικά φωτεινών ακτίνων Χ.
Ο Erik Folven, συνδιευθυντής της ομάδας ηλεκτρονικών οξειδίων στο Τμήμα Ηλεκτρονικών Συστημάτων του NTNU, και οι συνεργάτες του από το NTNU και το Πανεπιστήμιο της Γάνδης στο Βέλγιο ξεκίνησαν να δουν πώς αλλάζουν οι μικρομαγνήτες λεπτής μεμβράνης όταν διαταράσσονται από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.Η εργασία, που χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από το NTNU Nano και το Συμβούλιο Έρευνας της Νορβηγίας, δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Physical Review Research.
Μικροί μαγνήτες
Ο Einar Standal Digernes επινόησε τους μικροσκοπικούς τετράγωνους μαγνήτες που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα.
Οι μικροσκοπικοί τετράγωνοι μαγνήτες, που δημιουργήθηκαν από το NTNU Ph.D.υποψήφιο Einar Standal Digernes, έχουν πλάτος μόλις δύο μικρόμετρα και χωρίζονται σε τέσσερις τριγωνικές περιοχές, καθεμία με διαφορετικό μαγνητικό προσανατολισμό που δείχνει δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα γύρω από τους μαγνήτες.
Σε ορισμένα μαγνητικά υλικά, μικρότερες ομάδες ατόμων ενώνονται σε περιοχές που ονομάζονται περιοχές, στις οποίες όλα τα ηλεκτρόνια έχουν τον ίδιο μαγνητικό προσανατολισμό.
Στους μαγνήτες NTNU, αυτοί οι τομείς συναντώνται σε ένα κεντρικό σημείο - τον πυρήνα της δίνης - όπου η μαγνητική ροπή δείχνει απευθείας μέσα ή έξω από το επίπεδο του υλικού.
«Όταν εφαρμόζουμε ένα μαγνητικό πεδίο, όλο και περισσότεροι από αυτούς τους τομείς θα δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση», λέει ο Folven.«Μπορούν να αναπτυχθούν και να συρρικνωθούν, και μετά μπορούν να συγχωνευτούν το ένα στο άλλο».
Ηλεκτρόνια σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός
Το να δεις αυτό να συμβαίνει δεν είναι εύκολο.Οι ερευνητές οδήγησαν τους μικρομαγνήτες τους σε ένα σύγχροτρο πλάτους 80 μέτρων σε σχήμα ντόνατ, γνωστό ως BESSY II, στο Βερολίνο, όπου τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται μέχρι να ταξιδεύουν με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός.Αυτά τα ταχέως κινούμενα ηλεκτρόνια εκπέμπουν στη συνέχεια εξαιρετικά φωτεινές ακτίνες Χ.
«Παίρνουμε αυτές τις ακτίνες Χ και τις χρησιμοποιούμε ως φως στο μικροσκόπιό μας», λέει ο Folven.
Επειδή τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν γύρω από το σύγχροτρο σε δέσμες που χωρίζονται από δύο νανοδευτερόλεπτα, οι ακτίνες Χ που εκπέμπουν έρχονται σε ακριβείς παλμούς.
Ένα μικροσκόπιο ακτίνων Χ μετάδοσης σάρωσης, ή STXM, λαμβάνει αυτές τις ακτίνες Χ για να δημιουργήσει ένα στιγμιότυπο της μαγνητικής δομής του υλικού.Συνδυάζοντας αυτά τα στιγμιότυπα μαζί, οι ερευνητές μπορούν ουσιαστικά να δημιουργήσουν μια ταινία που δείχνει πώς αλλάζει ο μικρομαγνήτης με την πάροδο του χρόνου.
Με τη βοήθεια του STXM, ο Folven και οι συνεργάτες του διατάραξαν τους μικρομαγνήτες τους με έναν παλμό ρεύματος που δημιούργησε ένα μαγνητικό πεδίο και είδαν τους τομείς να αλλάζουν σχήμα και τον πυρήνα της δίνης να μετακινείται από το κέντρο.
«Έχετε έναν πολύ μικρό μαγνήτη και μετά τον τρυπάτε και προσπαθείτε να τον απεικονίσετε καθώς κατακάθεται ξανά», λέει.Στη συνέχεια, είδαν τον πυρήνα να επιστρέφει στη μέση — αλλά κατά μήκος ενός μονοπατιού με στροφές, όχι σε ευθεία γραμμή.
«Θα χορέψει κάπως πίσω στο κέντρο», λέει ο Folven.
Ένα γλίστρημα και τελείωσε
Αυτό συμβαίνει επειδή μελετούν επιταξιακά υλικά, τα οποία δημιουργούνται πάνω από ένα υπόστρωμα που επιτρέπει στους ερευνητές να τροποποιήσουν τις ιδιότητες του υλικού, αλλά θα εμπόδιζαν τις ακτίνες Χ σε ένα STXM.
Εργαζόμενοι στο NTNU NanoLab, οι ερευνητές έλυσαν το πρόβλημα του υποστρώματος θάβοντας τον μικρομαγνήτη τους κάτω από ένα στρώμα άνθρακα για να προστατεύσουν τις μαγνητικές του ιδιότητες.
Έπειτα αποκόπηκαν προσεκτικά και με ακρίβεια το υπόστρωμα από κάτω με μια εστιασμένη δέσμη ιόντων γαλλίου μέχρι να μείνει μόνο ένα πολύ λεπτό στρώμα.Η επίπονη διαδικασία θα μπορούσε να διαρκέσει οκτώ ώρες ανά δείγμα - και ένα γλίστρημα θα μπορούσε να οδηγήσει σε καταστροφή.
«Το κρίσιμο είναι ότι, αν σκοτώσεις τον μαγνητισμό, δεν θα το μάθουμε πριν καθίσουμε στο Βερολίνο», λέει."Το κόλπο είναι, φυσικά, να φέρεις περισσότερα από ένα δείγματα."
Από τη θεμελιώδη φυσική στις μελλοντικές συσκευές
Ευτυχώς λειτούργησε και η ομάδα χρησιμοποίησε τα προσεκτικά προετοιμασμένα δείγματά της για να καταγράψει πώς οι τομείς του μικρομαγνήτη μεγαλώνουν και συρρικνώνονται με την πάροδο του χρόνου.Δημιούργησαν επίσης προσομοιώσεις υπολογιστή για να κατανοήσουν καλύτερα ποιες δυνάμεις λειτουργούσαν.
Εκτός από την προώθηση των γνώσεών μας για τη θεμελιώδη φυσική, η κατανόηση του πώς λειτουργεί ο μαγνητισμός σε αυτές τις κλίμακες μήκους και χρόνου θα μπορούσε να είναι χρήσιμη για τη δημιουργία μελλοντικών συσκευών.
Ο μαγνητισμός χρησιμοποιείται ήδη για την αποθήκευση δεδομένων, αλλά οι ερευνητές αναζητούν επί του παρόντος τρόπους για να τον εκμεταλλευτούν περαιτέρω.Οι μαγνητικοί προσανατολισμοί του πυρήνα της δίνης και των περιοχών ενός μικρομαγνήτη, για παράδειγμα, θα μπορούσαν ίσως να χρησιμοποιηθούν για την κωδικοποίηση πληροφοριών με τη μορφή 0 και 1.
Οι ερευνητές στοχεύουν τώρα να επαναλάβουν αυτή την εργασία με αντι-σιδηρομαγνητικά υλικά, όπου η καθαρή επίδραση των μεμονωμένων μαγνητικών ροπών ακυρώνεται.Αυτά είναι πολλά υποσχόμενα όσον αφορά τους υπολογιστές - θεωρητικά, τα αντισιδηρομαγνητικά υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή συσκευών που απαιτούν λίγη ενέργεια και παραμένουν σταθερές ακόμη και όταν χάνεται ισχύς - αλλά πολύ πιο δύσκολο να διερευνηθεί επειδή τα σήματα που παράγουν θα είναι πολύ πιο αδύναμα .
Παρά αυτή την πρόκληση, ο Folven είναι αισιόδοξος.«Καλύψαμε το πρώτο έδαφος δείχνοντας ότι μπορούμε να κάνουμε δείγματα και να τα κοιτάξουμε με ακτίνες Χ», λέει.«Το επόμενο βήμα θα είναι να δούμε αν μπορούμε να φτιάξουμε δείγματα αρκετά υψηλής ποιότητας για να λάβουμε αρκετό σήμα από ένα αντισιδηρομαγνητικό υλικό».
Ώρα δημοσίευσης: Μάιος-10-2021