Los investigadores de NTNU están arrojando luz sobre materiales magnéticos a pequeña escala creando películas con la ayuda de rayos X extremadamente brillantes.
Erik Folven, codirector del grupo de electrónica de óxido del Departamento de Sistemas Electrónicos de NTNU, y colegas de NTNU y la Universidad de Gante en Bélgica se propusieron ver cómo cambian los microimanes de película delgada cuando son perturbados por un campo magnético externo.El trabajo, parcialmente financiado por NTNU Nano y el Consejo de Investigación de Noruega, fue publicado en la revista Physical Review Research.
Pequeños imanes
Einar Standal Digernes inventó los diminutos imanes cuadrados utilizados en los experimentos.
Los pequeños imanes cuadrados, creados por NTNU Ph.D.candidato Einar Standal Digernes, tienen sólo dos micrómetros de ancho y están divididos en cuatro dominios triangulares, cada uno con una orientación magnética diferente apuntando en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj alrededor de los imanes.
En ciertos materiales magnéticos, grupos más pequeños de átomos se agrupan en áreas llamadas dominios, en las que todos los electrones tienen la misma orientación magnética.
En los imanes NTNU, estos dominios se encuentran en un punto central (el núcleo del vórtice) donde el momento magnético apunta directamente hacia dentro o fuera del plano del material.
"Cuando aplicamos un campo magnético, cada vez más de estos dominios apuntarán en la misma dirección", dice Folven."Pueden crecer y pueden encogerse, y luego pueden fusionarse unos con otros".
Electrones casi a la velocidad de la luz.
Ver que esto suceda no es fácil.Los investigadores llevaron sus microimanes a un sincrotrón con forma de donut de 80 m de ancho, conocido como BESSY II, en Berlín, donde los electrones son acelerados hasta que viajan casi a la velocidad de la luz.Esos electrones que se mueven rápidamente emiten rayos X extremadamente brillantes.
"Tomamos estos rayos X y los utilizamos como luz en nuestro microscopio", dice Folven.
Debido a que los electrones viajan alrededor del sincrotrón en grupos separados por dos nanosegundos, los rayos X que emiten vienen en pulsos precisos.
Un microscopio de rayos X de transmisión de barrido, o STXM, toma esos rayos X para crear una instantánea de la estructura magnética del material.Al unir estas instantáneas, los investigadores esencialmente pueden crear una película que muestra cómo el microimán cambia con el tiempo.
Con la ayuda del STXM, Folven y sus colegas perturbaron sus microimanes con un pulso de corriente que generó un campo magnético, y vieron los dominios cambiar de forma y el núcleo del vórtice moverse desde el centro.
"Tienes un imán muy pequeño y luego lo empujas y tratas de visualizarlo mientras se asienta nuevamente", dice.Después, vieron que el núcleo regresaba al centro, pero a lo largo de un camino sinuoso, no en línea recta.
"Será una especie de danza de regreso al centro", dice Folven.
Un desliz y se acabó
Esto se debe a que estudian materiales epitaxiales, que se crean sobre un sustrato que permite a los investigadores modificar las propiedades del material, pero que bloquearían los rayos X en un STXM.
Trabajando en NTNU NanoLab, los investigadores resolvieron el problema del sustrato enterrando su microimán bajo una capa de carbono para proteger sus propiedades magnéticas.
Luego, con cuidado y precisión, quitaron el sustrato que se encontraba debajo con un haz enfocado de iones de galio hasta que solo quedó una capa muy delgada.El minucioso proceso podría tardar ocho horas por muestra, y un desliz podría significar un desastre.
"Lo fundamental es que, si se mata el magnetismo, no lo sabremos antes de sentarnos en Berlín", dice."El truco, por supuesto, consiste en traer más de una muestra".
De la física fundamental a los dispositivos del futuro
Afortunadamente, funcionó y el equipo utilizó muestras cuidadosamente preparadas para trazar cómo los dominios del microimán crecen y se reducen con el tiempo.También crearon simulaciones por computadora para comprender mejor qué fuerzas estaban en acción.
Además de mejorar nuestro conocimiento de la física fundamental, comprender cómo funciona el magnetismo en estas escalas de longitud y tiempo podría resultar útil para crear dispositivos futuros.
El magnetismo ya se utiliza para el almacenamiento de datos, pero actualmente los investigadores están buscando formas de explotarlo aún más.Las orientaciones magnéticas del núcleo del vórtice y los dominios de un microimán, por ejemplo, quizás podrían usarse para codificar información en forma de ceros y unos.
Ahora los investigadores pretenden repetir este trabajo con materiales antiferromagnéticos, en los que se anula el efecto neto de los momentos magnéticos individuales.Estos son prometedores cuando se trata de informática (en teoría, los materiales antiferromagnéticos podrían usarse para fabricar dispositivos que requieran poca energía y permanezcan estables incluso cuando se corta la energía), pero son mucho más complicados de investigar porque las señales que producen serán mucho más débiles. .
A pesar de ese desafío, Folven es optimista."Hemos cubierto el primer terreno demostrando que podemos tomar muestras y observarlas con rayos X", dice."El siguiente paso será ver si podemos fabricar muestras de una calidad suficientemente alta para obtener suficiente señal de un material antiferromagnético".
Hora de publicación: 10 de mayo de 2021