Οι ερευνητές από το NTNU ρίχνουν φως σε μαγνητικά υλικά σε μικρές κλίμακες δημιουργώντας ταινίες με τη βοήθεια κάποιων εξαιρετικά φωτεινών ακτίνων Χ.
Ο Erik Folven, συν-διευθυντής της ομάδας ηλεκτρονικών οξειδίων στο Τμήμα Ηλεκτρονικών Συστημάτων του NTNU και οι συνάδελφοί του από το NTNU και το Πανεπιστήμιο της Γάνδης στο Βέλγιο ξεκίνησαν να βλέπουν πόσο μικρο-μικροκραντέτες λεπτής ταινίας αλλάζουν όταν διαταράσσονται από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Το έργο, που χρηματοδοτήθηκε μερικώς από το NTNU Nano και το Συμβούλιο Έρευνας της Νορβηγίας, δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Research.
Μικροσκοπικά μαγνήτες
Το Einar Disternes εφευρέθηκε τα μικροσκοπικά τετράγωνα μαγνήτες που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα.
Οι μικροσκοπικοί τετράγωνοι μαγνήτες, που δημιουργήθηκαν από το NTNU Ph.D. Οι υποψήφιοι einar αυτόνομα digernes, είναι μόνο δύο μικρομέτρων πλάτους και χωρίζονται σε τέσσερις τριγωνικούς τομείς, το καθένα με διαφορετικό μαγνητικό προσανατολισμό που δείχνει δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα γύρω από τους μαγνήτες.
Σε ορισμένα μαγνητικά υλικά, μικρότερες ομάδες ατόμων συγκροτούν σε περιοχές που ονομάζονται τομείς, στις οποίες όλα τα ηλεκτρόνια έχουν τον ίδιο μαγνητικό προσανατολισμό.
Στους μαγνήτες NTNU, αυτοί οι τομείς συναντώνται σε ένα κεντρικό σημείο - ο πυρήνας στροβιλισμού - όπου η μαγνητική στιγμή δείχνει απευθείας μέσα ή έξω από το επίπεδο του υλικού.
"Όταν εφαρμόζουμε ένα μαγνητικό πεδίο, όλο και περισσότεροι από αυτούς τους τομείς θα δείξουν προς την ίδια κατεύθυνση", λέει ο Folven. "Μπορούν να αναπτυχθούν και μπορούν να συρρικνωθούν, και στη συνέχεια μπορούν να συγχωνευθούν μεταξύ τους."
Ηλεκτρόνια σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός
Το να βλέπεις αυτό δεν είναι εύκολο. Οι ερευνητές πήραν τα μικρομαγνήτια τους σε ένα synchrotron σε σχήμα ντόνατς μήκους 80 μέτρων, γνωστό ως Bessy II, στο Βερολίνο, όπου τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται μέχρι να ταξιδεύουν σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Αυτά τα ταχέως κινούμενα ηλεκτρόνια εκπέμπουν εξαιρετικά φωτεινές ακτινογραφίες.
"Λαμβάνουμε αυτές τις ακτίνες Χ και τις χρησιμοποιούμε ως το φως στο μικροσκόπιο μας", λέει ο Folven.
Επειδή τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν γύρω από το synchrotron σε τσαμπιά που χωρίζονται από δύο νανοδευτερόλεπτα, οι ακτίνες Χ που εκπέμπουν έρχονται σε ακριβείς παλμούς.
Ένα μικροσκόπιο ακτίνων Χ μετάδοσης σάρωσης ή STXM, παίρνει αυτές τις ακτίνες Χ για να δημιουργήσει ένα στιγμιότυπο της μαγνητικής δομής του υλικού. Με τη ραφή αυτών των στιγμιότυπων, οι ερευνητές μπορούν ουσιαστικά να δημιουργήσουν μια ταινία που δείχνει πώς αλλάζει το micromagnet με την πάροδο του χρόνου.
Με τη βοήθεια του STXM, ο Folven και οι συνάδελφοί του διαταράσσουν τα μικρομαγνάτες τους με παλμό ρεύματος που δημιούργησε ένα μαγνητικό πεδίο και είδε ότι οι τομείς αλλάζουν το σχήμα και ο πυρήνας του στροβίλου από το κέντρο.
"Έχετε έναν πολύ μικρό μαγνήτη, και στη συνέχεια το χτυπάτε και προσπαθήστε να το απεικονίσετε καθώς εγκαθίσταται ξανά", λέει. Στη συνέχεια, είδαν τον πυρήνα να επιστρέφει στη μέση - αλλά κατά μήκος μιας διαδρομής εκκαθάρισης, όχι σε μια ευθεία γραμμή.
"Θα χορεύει πίσω στο κέντρο", λέει ο Folven.
Ένα γλίστρημα και τελείωσε
Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μελετούν επιταξιακά υλικά, τα οποία δημιουργούνται πάνω από ένα υπόστρωμα που επιτρέπει στους ερευνητές να τροποποιούν τις ιδιότητες του υλικού, αλλά θα εμποδίσουν τις ακτίνες Χ σε ένα STXM.
Εργάζοντας στο NTNU Nanolab, οι ερευνητές λύνουν το πρόβλημα του υποστρώματος θάβοντας το μικρομαγνήτι τους κάτω από ένα στρώμα άνθρακα για να προστατεύσει τις μαγνητικές του ιδιότητες.
Στη συνέχεια, προσεκτικά και με ακρίβεια απομακρύνθηκαν από το υπόστρωμα κάτω από μια εστιασμένη δέσμη ιόντων γαλλίου μέχρι να παραμείνει μόνο ένα πολύ λεπτό στρώμα. Η επίπονη διαδικασία θα μπορούσε να διαρκέσει οκτώ ώρες ανά δείγμα - και ένα γλίστρημα θα μπορούσε να προκαλέσει καταστροφή.
"Το κρίσιμο είναι ότι, αν σκοτώσετε τον μαγνητισμό, δεν θα το ξέρουμε πριν καθίσουμε στο Βερολίνο", λέει. "Το τέχνασμα είναι, φυσικά, να φέρει περισσότερα από ένα δείγμα."
Από τη θεμελιώδη φυσική έως τις μελλοντικές συσκευές
Ευτυχώς λειτούργησε και η ομάδα χρησιμοποίησε τα προσεκτικά προετοιμασμένα δείγματα για να καταγράψει πώς μεγαλώνουν και συρρικνώνονται οι περιοχές του μικρομαγνήτη με την πάροδο του χρόνου. Δημιούργησαν επίσης προσομοιώσεις υπολογιστών για να κατανοήσουν καλύτερα ποιες δυνάμεις ήταν στη δουλειά.
Εκτός από την προώθηση των γνώσεων μας σχετικά με τη θεμελιώδη φυσική, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο ο μαγνητισμός λειτουργεί 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 το εκμεταλλευτούν περαιτέρω. Οι μαγνητικοί προσανατολισμοί του πυρήνα του στροβίλου και των τομέων ενός μικρομαγνήτη, για παράδειγμα, θα μπορούσαν ίσως να χρησιμοποιηθούν για να κωδικοποιήσουν πληροφορίες με τη μορφή 0s και 1s.
Οι ερευνητές στοχεύουν τώρα να επαναλάβουν αυτό το έργο με αντι-φερρομαγνητικά υλικά, όπου η καθαρή επίδραση των μεμονωμένων μαγνητικών στιγμών ακυρώνει. Αυτά είναι πολλά υποσχόμενα όταν πρόκειται για υπολογιστική-στη θεωρία, τα αντι-φερρομαγνητικά υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να γίνουν συσκευές που απαιτούν λίγη ενέργεια και να παραμείνουν σταθερά ακόμη και όταν χάνεται η ισχύς-αλλά πολύ πιο δύσκολο να διερευνηθεί επειδή τα σήματα που παράγουν θα είναι πολύ πιο αδύναμη.
Παρά την πρόκληση αυτή, ο Folven είναι αισιόδοξος. "Έχουμε καλύψει το πρώτο έδαφος δείχνοντας ότι μπορούμε να φτιάξουμε δείγματα και να τα κοιτάξουμε με ακτίνες Χ", λέει. "Το επόμενο βήμα θα είναι να δούμε αν μπορούμε να φτιάξουμε δείγματα επαρκώς υψηλής ποιότητας για να πάρουμε αρκετό σήμα από ένα αντι-φερρομαγνητικό υλικό".
Χρόνος δημοσίευσης: Μάιος-10-2021