Esploristoj de NTNU klarigas magnetajn materialojn je malgrandaj skaloj kreante filmojn helpe de ekstreme helaj rentgenradioj.
Erik Folven, kundirektoro de la oksida elektroniko-grupo ĉe la Departemento de Elektronikaj Sistemoj de NTNU, kaj kolegoj de NTNU kaj Genta Universitato en Belgio celis vidi kiel maldikfilmaj mikromagnetoj ŝanĝiĝas kiam ĝenataj de ekstera magneta kampo. La laboro, parte financita de NTNU Nano kaj la Esplora Konsilio de Norvegio, estis publikigita en la revuo Physical Review Research.
Malgrandaj magnetoj
Einar Standal Digernes inventis la etajn kvadratajn magnetojn uzatajn en la eksperimentoj.
La etaj kvadrataj magnetoj, kreitaj de la doktoriĝanta kandidato de NTNU, Einar Standal Digernes, estas nur du mikrometrojn larĝaj kaj dividitaj en kvar triangulajn domajnojn, ĉiu kun malsama magneta orientiĝo montranta dekstrume aŭ maldekstrume ĉirkaŭ la magnetoj.
En certaj magnetaj materialoj, pli malgrandaj grupoj de atomoj kuniĝas en areojn nomatajn domajnoj, en kiuj ĉiuj elektronoj havas la saman magnetan orientiĝon.
En la NTNU-magnetoj, ĉi tiuj domajnoj renkontiĝas ĉe centra punkto - la vortica kerno - kie la magneta momento montras rekte en aŭ ekster la ebeno de la materialo.
“Kiam ni aplikas magnetan kampon, pli kaj pli da ĉi tiuj domajnoj montros en la sama direkto,” diras Folven. “Ili povas kreski kaj ili povas ŝrumpi, kaj poste ili povas kunfandiĝi unu en la alian.”
Elektronoj preskaŭ je la lumrapideco
Vidi tion okazi ne estas facile. La esploristoj portis siajn mikromagnetojn al 80-metran larĝan ringbulkforman sinkrotronon, konatan kiel BESSY II, en Berlino, kie elektronoj estas akcelitaj ĝis ili vojaĝas preskaŭ je lumrapideco. Tiuj rapide moviĝantaj elektronoj tiam elsendas ekstreme brilajn rentgenradiojn.
“Ni prenas ĉi tiujn rentgenradiojn kaj uzas ilin kiel lumon en nia mikroskopo,” diras Folven.
Ĉar elektronoj vojaĝas ĉirkaŭ la sinkrotrono en faskoj apartigitaj per du nanosekundoj, la rentgenradioj, kiujn ili elsendas, venas en precizaj pulsoj.
Skananta transmisia rentgen-mikroskopo, aŭ STXM, prenas tiujn rentgen-radiojn por krei momentfoton de la magneta strukturo de la materialo. Kunigante ĉi tiujn momentfotojn, la esploristoj povas esence krei filmon montrantan kiel la mikromagneto ŝanĝiĝas laŭlonge de la tempo.
Kun la helpo de la STXM, Folven kaj liaj kolegoj perturbis siajn mikromagnetojn per pulso de kurento kiu generis magnetan kampon, kaj vidis la domajnojn ŝanĝi formon kaj la vortican kernon moviĝi de la centro.
“Vi havas tre malgrandan magneton, kaj poste vi pikas ĝin kaj provas bildigi ĝin dum ĝi denove sidiĝas,” li diras. Poste, ili vidis la kernon reveni al la mezo — sed laŭ kurbiĝema vojo, ne rekta linio.
“Ĝi ia dancos reen al la centro,” diras Folven.
Unu glito kaj ĝi finiĝis
Tio estas ĉar ili studas epitaksiajn materialojn, kiuj estas kreitaj sur substrato, kiu permesas al esploristoj ŝanĝi la ecojn de la materialo, sed blokus la rentgenradiojn en STXM.
Laborante en NTNU NanoLab, la esploristoj solvis la substratan problemon entombigante sian mikromagneton sub tavolo de karbono por protekti ĝiajn magnetajn ecojn.
Poste ili zorge kaj precize ĉizis la suban substraton per fokusita fasko de galiumaj jonoj ĝis nur tre maldika tavolo restis. La peniga procezo povus daŭri ok horojn por ĉiu specimeno — kaj unu eraro povus signifi katastrofon.
„La plej grava afero estas, ke se vi mortigos la magnetismon, ni ne scios tion antaŭ ol ni sidos en Berlino,“ li diras. „La ruzo estas, kompreneble, kunporti pli ol unu specimenon.“
De fundamenta fiziko ĝis estontaj aparatoj
Feliĉe ĝi funkciis, kaj la teamo uzis siajn zorge preparitajn specimenojn por mapi kiel la domajnoj de la mikromagneto kreskas kaj ŝrumpas laŭlonge de la tempo. Ili ankaŭ kreis komputilajn simulaĵojn por pli bone kompreni kiaj fortoj agis.
Krom antaŭenigi nian scion pri fundamenta fiziko, kompreni kiel magnetismo funkcias je ĉi tiuj longo- kaj temposkaloj povus esti helpema en kreado de estontaj aparatoj.
Magnetismo jam estas uzata por datumstokado, sed esploristoj nuntempe serĉas manierojn plu ekspluati ĝin. La magnetaj orientiĝoj de la vortica kerno kaj domajnoj de mikromagneto, ekzemple, eble povus esti uzataj por ĉifri informojn en la formo de 0-oj kaj 1-oj.
La esploristoj nun celas ripeti ĉi tiun laboron kun kontraŭferomagnetaj materialoj, kie la neta efiko de la individuaj magnetaj momentoj nuliĝas. Ĉi tiuj estas promesplenaj rilate al komputado — teorie, kontraŭferomagnetaj materialoj povus esti uzataj por fari aparatojn, kiuj postulas malmulte da energio kaj restas stabilaj eĉ kiam elektroperdo — sed multe pli malfacile esploreblaj, ĉar la signaloj, kiujn ili produktas, estos multe pli malfortaj.
Malgraŭ tiu defio, Folven estas optimisma. “Ni kovris la unuan kampon montrante, ke ni povas fari specimenojn kaj trarigardi ilin per rentgenradioj,” li diras. “La sekva paŝo estos vidi ĉu ni povas fari specimenojn de sufiĉe alta kvalito por ricevi sufiĉan signalon de kontraŭferomagneta materialo.”
Afiŝtempo: 10-a de majo 2021