روشی جدید برای بررسی عملکرد درونی آهنرباهای کوچک

محققان NTNU با ساختن فیلم هایی با کمک پرتوهای ایکس بسیار درخشان، مواد مغناطیسی را در مقیاس های کوچک روشن می کنند.

Erik Folven، یکی از مدیران گروه الکترونیک اکسید در دپارتمان سیستم‌های الکترونیکی NTNU، و همکارانش از NTNU و دانشگاه گنت در بلژیک تصمیم گرفتند تا ببینند که چگونه ریزمغناطیس‌های لایه نازک وقتی توسط یک میدان مغناطیسی بیرونی مختل می‌شوند، تغییر می‌کنند.این کار که تا حدی توسط NTNU Nano و شورای تحقیقات نروژ تامین مالی شده است، در مجله Physical Review Research منتشر شد.

آهنرباهای ریز

Einar Standal Digernes آهنرباهای مربع کوچک مورد استفاده در آزمایشات را اختراع کرد.

آهنرباهای مربعی کوچک، ایجاد شده توسط NTNU Ph.D.نامزد Einar Standal Digernes، فقط دو میکرومتر عرض دارند و به چهار حوزه مثلثی تقسیم می‌شوند که هر کدام دارای جهت مغناطیسی متفاوتی هستند که در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف جهت عقربه‌های ساعت اطراف آهن‌رباها را نشان می‌دهند.

در مواد مغناطیسی خاصی، گروه‌های کوچک‌تری از اتم‌ها به هم متصل می‌شوند و به مناطقی به نام حوزه‌ها متصل می‌شوند که در آن همه الکترون‌ها جهت‌گیری مغناطیسی یکسانی دارند.

در آهنرباهای NTNU، این حوزه ها در یک نقطه مرکزی - هسته گرداب - جایی که گشتاور مغناطیسی مستقیماً به داخل یا خارج از صفحه ماده اشاره می کند، به هم می رسند.

فولون می گوید: «وقتی یک میدان مغناطیسی اعمال می کنیم، تعداد بیشتری از این حوزه ها در یک جهت قرار می گیرند."آنها می توانند رشد کنند و کوچک شوند، و سپس می توانند در یکدیگر ادغام شوند."

الکترون ها تقریباً با سرعت نور

دیدن این اتفاق آسان نیست.محققان ریزمغناطیس‌های خود را به یک سینکروترون دوناتی شکل با عرض 80 متر، معروف به BESSY II، در برلین بردند، جایی که الکترون‌ها تا زمانی که تقریباً با سرعت نور حرکت می‌کنند، شتاب می‌گیرند.سپس آن الکترون‌های با حرکت سریع پرتوهای ایکس بسیار درخشانی از خود ساطع می‌کنند.

فولن می‌گوید: «ما این اشعه‌های ایکس را می‌گیریم و از آنها به عنوان نور در میکروسکوپ خود استفاده می‌کنیم.

از آنجایی که الکترون‌ها در اطراف سینکروترون در دسته‌هایی حرکت می‌کنند که با دو نانوثانیه از هم جدا شده‌اند، پرتوهای ایکسی که از خود ساطع می‌کنند با پالس‌های دقیقی می‌آیند.

یک میکروسکوپ اشعه ایکس با انتقال روبشی یا STXM، آن اشعه ایکس را برای ایجاد یک عکس فوری از ساختار مغناطیسی ماده می گیرد.با دوختن این عکس‌های فوری، محققان می‌توانند اساساً فیلمی بسازند که نشان می‌دهد چگونه ریزمغناطیس در طول زمان تغییر می‌کند.

فولون و همکارانش با کمک STXM، میکرومغناطیس‌های خود را با یک پالس جریانی که میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، مختل کردند و دیدند که دامنه‌ها تغییر شکل می‌دهند و هسته گرداب از مرکز حرکت می‌کند.

او می‌گوید: «شما یک آهن‌ربای بسیار کوچک دارید، و سپس آن را فشار می‌دهید و سعی می‌کنید در حالی که دوباره ته نشین می‌شود، آن را تصویر کنید.پس از آن، آنها دیدند که هسته به وسط بازگشت - اما در امتداد یک مسیر پر پیچ و خم، نه یک خط مستقیم.

فولن می‌گوید: «به نوعی به مرکز خواهد رقصید.

یک لغزش و تمام شد

دلیل آن این است که آنها مواد همپایی را مطالعه می کنند که در بالای بستری ایجاد می شوند که به محققان اجازه می دهد تا خواص مواد را تغییر دهند، اما می توانند اشعه ایکس را در STXM مسدود کنند.

محققان با کار در NTNU NanoLab، مشکل زیرلایه را با دفن ریزمغناطیس خود در زیر لایه ای از کربن برای محافظت از خواص مغناطیسی آن حل کردند.

سپس با دقت و دقت زیرلایه زیرین را با پرتو متمرکزی از یون های گالیوم جدا کردند تا زمانی که فقط یک لایه بسیار نازک باقی بماند.این فرآیند پر زحمت می‌تواند هشت ساعت برای هر نمونه طول بکشد و یک لغزش می‌تواند باعث فاجعه شود.

او می‌گوید: «نکته مهم این است که اگر مغناطیس را بکشید، ما قبل از اینکه در برلین بنشینیم متوجه این موضوع نخواهیم شد.ترفند، البته، آوردن بیش از یک نمونه است.

از فیزیک بنیادی تا دستگاه های آینده

خوشبختانه کار کرد و تیم از نمونه‌های با دقت آماده شده خود برای ترسیم چگونگی رشد و کوچک شدن دامنه‌های میکرومغناطیس در طول زمان استفاده کردند.آنها همچنین شبیه سازی های کامپیوتری را برای درک بهتر نیروهایی که در کار هستند ایجاد کردند.

علاوه بر پیشرفت دانش ما در مورد فیزیک بنیادی، درک نحوه عملکرد مغناطیس در این مقیاس های طولانی و زمانی می تواند در ایجاد دستگاه های آینده مفید باشد.

مغناطیس در حال حاضر برای ذخیره سازی داده ها استفاده می شود، اما محققان در حال حاضر به دنبال راه هایی برای بهره برداری بیشتر از آن هستند.برای مثال، جهت گیری های مغناطیسی هسته گرداب و حوزه های یک میکرومغناطیس، شاید بتوان برای رمزگذاری اطلاعات به شکل 0 و 1 استفاده کرد.

محققان اکنون قصد دارند این کار را با مواد ضد فرومغناطیسی تکرار کنند، جایی که اثر خالص گشتاورهای مغناطیسی منفرد از بین می رود.وقتی صحبت از محاسبات به میان می‌آید، این موارد امیدوارکننده هستند - در تئوری، مواد ضد فرومغناطیسی می‌توانند برای ساخت دستگاه‌هایی استفاده شوند که به انرژی کمی نیاز دارند و حتی در صورت از دست رفتن انرژی پایدار می‌مانند - اما بررسی بسیار دشوارتر است زیرا سیگنال‌هایی که آنها تولید می‌کنند بسیار ضعیف‌تر خواهند بود. .

با وجود این چالش، فولن خوشبین است.او می‌گوید: «ما اولین زمین را با نشان دادن اینکه می‌توانیم نمونه‌هایی بسازیم و با اشعه ایکس از میان آنها نگاه کنیم، پوشانده‌ایم.گام بعدی این است که ببینیم آیا می‌توانیم نمونه‌هایی با کیفیت کافی بسازیم تا سیگنال کافی از یک ماده ضد فرومغناطیسی دریافت کنیم.