NTNU: n tutkijat valaisevat magneettisia materiaaleja pienissä asteikoissa luomalla elokuvia joidenkin erittäin kirkkaiden röntgenkuvien avulla.
Erik Folven, NTNU: n elektronisten järjestelmien osaston Oxide Electronics -ryhmän ja Belgian kollegoiden ja Ghent Universityn kollegat lähtivät näkemään, kuinka ohutkalvojen mikromagneetteja muuttuu, kun ulkopuolinen magneettikenttä häiriintyy. NTNU Nanon ja Norjan tutkimusneuvoston osittain rahoittama työ julkaistiin Physical Review Research -lehdessä.
Pienet magneetit
Einar Standal Digernes keksi kokeissa käytetyt pienet neliömagneettit.
NTNU Ph.D. Ehdokas Einar Standal Digernes ovat vain kaksi mikrometriä leveä ja jaetaan neljään kolmion muotoiseen domeeniin, jokaisella on erilainen magneettinen suuntaus myötäpäivään tai vastapäivään magneettien ympärillä.
Tietyissä magneettisissa materiaaleissa pienemmät atomien ryhmät nauhoivat yhteen alueille, joita kutsutaan domeeneja, joissa kaikilla elektronilla on sama magneettinen suunta.
NTNU -magneeteissa nämä domeenit kohtaavat keskipisteessä - pyörreydin - missä magneettinen momentti osoittaa suoraan materiaalin tasosta tai ulos.
"Kun käytämme magneettikenttää, yhä useammat näistä alueista osoittaa samaan suuntaan", Folven sanoo. "He voivat kasvaa ja he voivat kutistua, ja sitten he voivat sulautua toisiinsa."
Elektronit melkein valon nopeudella
Tämän tapahtuminen ei ole helppoa. Tutkijat veivät mikromagneettinsa 80 metrin leveälle munkkien muotoiselle synkrotronille, joka tunnetaan nimellä Bessy II, Berliinissä, missä elektroneja kiihtyy, kunnes he kulkevat melkein valon nopeudella. Ne nopeasti liikkuvat elektronit lähettävät sitten erittäin kirkkaita röntgenkuvia.
"Otamme nämä röntgenkuvat ja käytämme niitä mikroskoopin valona", Folven sanoo.
Koska elektronit kulkevat synkrotronin ympärillä kahdella nanosekunnilla erotettuina kimppuissa, niiden lähettämät röntgenkuvat tulevat tarkalla pulssilla.
Skannausvaihteiston röntgenmikroskooppi tai STXM vie nämä röntgenkuvat luodakseen tilannekuvan materiaalin magneettisesta rakenteesta. Ompelemalla nämä tilannekuvat yhteen tutkijat voivat olennaisesti luoda elokuvan, joka osoittaa, kuinka mikromagneetti muuttuu ajan myötä.
STXM: n avulla Folven ja hänen kollegansa häiritsivät mikromagneettiaan virran pulssilla, joka tuotti magneettikentän, ja näki domeenien muuttavan muodon ja pyörreydin liikkua keskustasta.
"Sinulla on hyvin pieni magneetti, ja sitten pistät sen ja yrität kuvata sitä, kun se asettuu uudelleen", hän sanoo. Myöhemmin he näkivät ytimen palaavan keskelle - mutta käämityspolkua pitkin, ei suoraa linjaa pitkin.
"Se tanssii takaisin keskustaan", Folven sanoo.
Yksi liukua ja se on ohi
Tämä johtuu siitä, että he tutkivat epitaksiaalimateriaaleja, jotka on luotu substraatin päälle, jonka avulla tutkijat voivat säätää materiaalin ominaisuuksia, mutta estäisivät röntgenkuvat STXM: ssä.
NTNU -nanolabissa tutkijat ratkaisivat substraatti -ongelman hautaamalla mikromagneettinsa hiilikerroksen alle sen magneettisten ominaisuuksien suojaamiseksi.
Sitten he hakivat varovasti ja tarkasti pois substraatin alla olevalla gallium -ionit -säteen kanssa, kunnes vain hyvin ohut kerros pysyi. Haittaprosessi voi viedä kahdeksan tuntia näytettä kohti - ja yksi liukuminen voi kirjoittaa katastrofin.
"Kriittinen asia on, että jos tappaat magneettisuuden, emme tiedä sitä ennen kuin istumme Berliinissä", hän sanoo. "Temppu on tietysti tuoda useampi kuin yksi näyte."
Fysiikasta tulevaisuuden laitteisiin
Onneksi se toimi, ja joukkue käytti huolellisesti valmistettuja näytteitään kartoittamaan, kuinka mikromagneetin domeenit kasvavat ja kutistuvat ajan myötä. He loivat myös tietokonesimulaatioita ymmärtääkseen paremmin, mitkä voimat olivat töissä.
Perusfysiikan tietomme edistämisen lisäksi magneettisuuden toiminnan ymmärtäminen näillä pituuksilla ja aikatauluilla voisi olla hyödyllistä tulevaisuuden laitteiden luomisessa.
Magnetismia käytetään jo tiedonsiirtoon, mutta tutkijat etsivät parhaillaan tapoja hyödyntää sitä edelleen. Esimerkiksi mikromagneetin pyörreytimen ja domeenien magneettisia suuntauksia voitaisiin ehkä käyttää tietojen koodaamiseen 0: n ja 1: n muodossa.
Tutkijat pyrkivät nyt toistamaan tämän työn anti-ferromagneettisten materiaalien kanssa, joissa yksittäisten magneettisten momenttien nettovaikutus peruuttaa. Nämä ovat lupaavia tietojenkäsittelyn suhteen-teoriassa voitaisiin käyttää ferromagneettisia materiaaleja laitteiden valmistukseen, jotka vaativat vähän energiaa ja pysyvät vakaana myös voiman menettämisen aikana-mutta paljon vaikeampia tutkia, koska niiden tuottamat signaalit ovat paljon heikompia.
Tästä haasteesta huolimatta Folven on optimistinen. "Olemme peittäneet ensimmäisen maan osoittamalla, että voimme tehdä näytteitä ja katsoa niiden läpi röntgenkuvilla", hän sanoo. "Seuraava askel on nähdä, voimmeko tehdä näytteitä riittävän korkealaatuisina saadaksesi tarpeeksi signaalia anti-ferromagneettisesta materiaalista."
Viestin aika: toukokuu-10-2021