Los investigadores de NTNU están arrojando luz sobre materiales magnéticos a pequeñas escamas creando películas con la ayuda de algunas radiografías extremadamente brillantes.
Erik Folven, codirector del Grupo de Electrónica de óxido en el Departamento de Sistemas Electrónicos de NTNU, y sus colegas de NTNU y Ghent University en Bélgica se propusieron a ver cómo cambian los micromagnets de película delgada cuando se perturban por un campo magnético externo. El trabajo, parcialmente financiado por NTNU Nano y el Consejo de Investigación de Noruega, se publicó en la revista Physical Review Research.
Pequeños imanes
Einar Digernes independientes inventaron los pequeños imanes cuadrados utilizados en los experimentos.
Los pequeños imanes cuadrados, creados por NTNU Ph.D. El candidato Einar Standal Digernes, tiene solo dos micrómetros de ancho y se dividen en cuatro dominios triangulares, cada uno con una orientación magnética diferente que apunta en sentido horario o antihorario alrededor de los imanes.
En ciertos materiales magnéticos, grupos más pequeños de átomos se unen 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 de vórtice, donde el momento magnético apunta directamente 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 entre sí".
Electrones casi a la velocidad de la luz
Ver que esto sucede no es fácil. Los investigadores llevaron sus micromagnets a un sincrotrón en forma de rosquilla de 80 m de ancho, conocido como Bessy II, en Berlín, donde los electrones se aceleran hasta que viajan a casi la velocidad de la luz. Esos electrones de rápido movimiento emiten radiografías extremadamente brillantes.
"Tomamos estos rayos X y los usamos como la luz en nuestro microscopio", dice Folven.
Debido a que los electrones viajan alrededor del sincrotrón en racimos separados por dos nanosegundos, las radiografías que emiten vienen en pulsos precisos.
Un microscopio de rayos X de transmisión de escaneo, o STXM, toma esas radiografías para crear una instantánea de la estructura magnética del material. Al unir estas instantáneas, los investigadores pueden crear esencialmente una película que muestra cómo el micromagnet cambia con el tiempo.
Con la ayuda del STXM, Folven y sus colegas perturbaron sus micromagnets con un pulso de corriente que generaba un campo magnético, y vieron que los dominios cambiaron de forma y el núcleo de vórtice se mueve desde el centro.
"Tienes un imán muy pequeño, y luego lo empuques e intentas imaginarlo mientras se asienta de nuevo", dice. Posteriormente, vieron el núcleo volver al medio, pero a lo largo de un camino sinuoso, no una línea recta.
"Se volverá a bailar al centro", dice Folven.
Un desliz y se acabó
Esto se debe a que estudian materiales epitaxiales, que se crean encima de un sustrato que permite a los investigadores ajustar las propiedades del material, pero bloquearía las radiografías en un STXM.
Trabajando en NTNU Nanolab, los investigadores resolvieron el problema del sustrato enterrando su micromagno bajo una capa de carbono para proteger sus propiedades magnéticas.
Luego, retiraron cuidadosamente y precisamente el sustrato debajo con un haz enfocado de iones de galio hasta que solo quedara una capa muy delgada. El proceso minucioso podría tomar ocho horas por muestra, y un deslizamiento podría significar un desastre.
"Lo crítico es que, si matas el magnetismo, no lo sabremos antes de sentarnos en Berlín", dice. "El truco es, por supuesto, traer más de una muestra".
Desde la física fundamental hasta los dispositivos futuros
Afortunadamente funcionó, y el equipo usó sus muestras cuidadosamente preparadas para trazar cómo los dominios del micromagnet crecen y se encogen con el tiempo. También crearon simulaciones por computadora para comprender mejor qué fuerzas estaban en el trabajo.
Además de avanzar en nuestro conocimiento de la física fundamental, comprender cómo funciona el magnetismo en estas escalas de tiempo y tiempo podría ser útil para crear dispositivos futuros.
El magnetismo ya se usa para el almacenamiento de datos, pero los investigadores actualmente buscan formas de explotarlo aún más. Las orientaciones magnéticas del núcleo de vórtice y los dominios de un micromagno, por ejemplo, podrían usarse para codificar información en forma de 0 y 1.
Los investigadores ahora tienen como objetivo repetir este trabajo con materiales antitirromagnéticos, donde se cancela el efecto neto de los momentos magnéticos individuales. Estos son prometedores cuando se trata de la informática, en la teoría, los materiales antitirromagnéticos podrían usarse para hacer dispositivos que requieren poca energía y permanecer estables incluso cuando la potencia se pierde, pero mucho más difícil de investigar porque las señales que producen serán mucho más débiles.
A pesar de ese desafío, Folven es optimista. "Hemos cubierto el primer terreno mostrando que podemos hacer muestras y mirarlas con rayos X", dice. "El siguiente paso será ver si podemos hacer muestras de calidad suficientemente alta como para obtener suficiente señal de un material antitirromagnético".
Tiempo de publicación: mayo-10-2021