NTNU teadlased heidavad valgust väikesemahulistele magnetilistele materjalidele, luues filme mõnede äärmiselt eredate röntgenikiirte abil.
NTNU elektroonikasüsteemide osakonna oksiidelektroonika rühma kaasdirektor Erik Folven ja tema kolleegid NTNU-st ja Genti ülikoolist Belgias asusid uurima, kuidas õhukese kilega mikromagnetid muutuvad välise magnetvälja häirimisel. Töö, mida osaliselt rahastasid NTNU Nano ja Norra teadusnõukogu, avaldati ajakirjas Physical Review Research.
Pisikesed magnetid
Einar Standal Digernes leiutas katsetes kasutatud pisikesed kandilised magnetid.
NTNU doktorikraadi kandidaadi Einar Standal Digernesi loodud pisikesed kandilised magnetid on vaid kahe mikromeetri laiused ja jagatud neljaks kolmnurkseks domeeniks, millest igaühel on erinev magnetiline orientatsioon, mis on suunatud magnetite ümber päripäeva või vastupäeva.
Teatud magnetilistes materjalides moodustavad väiksemad aatomite rühmad domeenideks nimetatud alasid, kus kõigil elektronidel on sama magnetiline orientatsioon.
NTNU magnetites kohtuvad need domeenid keskpunktis – keerise südamikus –, kus magnetiline moment osutab otse materjali tasapinnale või sellest välja.
„Kui rakendame magnetvälja, osutab üha rohkem neid domeene samas suunas,“ ütleb Folven. „Need võivad kasvada ja kahaneda ning seejärel üksteisega ühineda.“
Elektronid peaaegu valguse kiirusel
Selle toimumise nägemine pole lihtne. Teadlased viisid oma mikromagnetid Berliinis asuvasse 80 meetri laiusesse sõõrikukujulise sünkrotroni, mida tuntakse kui BESSY II, kus elektrone kiirendatakse peaaegu valguse kiiruseni. Seejärel kiirgavad need kiiresti liikuvad elektronid äärmiselt eredaid röntgenikiirgusid.
„Me võtame need röntgenikiirte ja kasutame neid oma mikroskoobi valgusena,“ ütleb Folven.
Kuna elektronid liiguvad sünkrotroni ümber kahe nanosekundi kaugusel asuvates kimpudes, tulevad nende kiirgavad röntgenikiirgused täpsete impulssidena.
Skaneeriv transmissioonröntgenmikroskoop ehk STXM võtab need röntgenikiired materjali magnetilise struktuuri hetktõmmise loomiseks. Nende hetktõmmiste kokkuõmblemise abil saavad teadlased luua filmi, mis näitab, kuidas mikromagnet aja jooksul muutub.
STXM-i abil häirisid Folven ja tema kolleegid oma mikromagneteid vooluimpulsiga, mis tekitas magnetvälja, ning nägid, kuidas domeenid muutsid kuju ja keerise südamik liikus keskpunktist eemale.
„Sul on väga väike magnet ja siis sa torkad seda ning proovid seda uuesti vajudes kujutada,“ ütleb ta. Hiljem nägid nad, kuidas südamik naasis keskele – aga mööda looklevat rada, mitte sirgjoont.
„See justkui tantsib tagasi keskpunkti,“ ütleb Folven.
Üks libisemine ja see on läbi
Seda seetõttu, et nad uurivad epitaksiaalseid materjale, mis luuakse substraadi peale, mis võimaldab teadlastel materjali omadusi muuta, kuid blokeerib STXM-is röntgenikiirguse.
NTNU NanoLabis töötades lahendasid teadlased substraadi probleemi, mattes oma mikromagneti süsinikukihi alla, et kaitsta selle magnetilisi omadusi.
Seejärel hakkisid nad ettevaatlikult ja täpselt galliumioonide fokuseeritud kiirega aluspinna maha, kuni järele jäi vaid väga õhuke kiht. See vaevarikas protsess võis iga proovi kohta võtta kaheksa tundi – ja üksainus möödalaskmine võis katastroofi kaasa tuua.
„Oluline on see, et kui magnetism ära lülitada, siis me ei tea seda enne Berliinis istumist,“ ütleb ta. „Nipp seisneb muidugi selles, et tuleb kaasa võtta rohkem kui üks proov.“
Alates põhifüüsikast kuni tulevikuseadmeteni
Õnneks see toimis ja meeskond kasutas oma hoolikalt ettevalmistatud proove, et kaardistada, kuidas mikromagneti domeenid aja jooksul kasvavad ja kahanevad. Samuti lõid nad arvutisimulatsioone, et paremini mõista, millised jõud toimisid.
Lisaks meie põhifüüsika tundmise edendamisele võib tulevaste seadmete loomisel olla abiks ka magnetismi toimimise mõistmine nendel pikkustel ja ajavahemikel.
Magnetismi kasutatakse juba andmete salvestamiseks, kuid teadlased otsivad praegu võimalusi selle edasiseks ärakasutamiseks. Näiteks mikromagneti keerise südamiku ja domeenide magnetilisi orientatsioone saaks ehk kasutada teabe kodeerimiseks 0 ja 1 kujul.
Nüüd püüavad teadlased seda tööd korrata antiferromagnetiliste materjalidega, kus üksikute magnetmomentide netomõju tühistatakse. Need on arvutiteaduse seisukohast paljulubavad – teoreetiliselt saaks antiferromagnetilisi materjale kasutada seadmete valmistamiseks, mis vajavad vähe energiat ja jäävad stabiilseks isegi siis, kui võimsus kaob –, kuid nende uurimine on palju keerulisem, kuna nende tekitatud signaalid on palju nõrgemad.
Vaatamata sellele väljakutsele on Folven optimistlik. „Oleme esimese etapi läbinud, näidates, et suudame proove valmistada ja neid röntgenikiirtega läbi vaadata,“ ütleb ta. „Järgmine samm on näha, kas suudame valmistada piisavalt kvaliteetseid proove, et saada antiferromagnetilisest materjalist piisavalt signaali.“
Postituse aeg: 10. mai 2021