NTNU:n tutkijat valaisevat magneettisia materiaaleja pienessä mittakaavassa luomalla elokuvia erittäin kirkkaiden röntgensäteiden avulla.
Erik Folven, NTNU:n elektronisten järjestelmien laitoksen oksidielektroniikkaryhmän toinen johtaja, ja kollegat NTNU:sta ja Gentin yliopistosta Belgiasta lähtivät näkemään, kuinka ohutkalvomikromagneetit muuttuvat, kun ulkopuolinen magneettikenttä häiritsee niitä.NTNU Nanon ja Norjan tutkimusneuvoston osittain rahoittama työ julkaistiin Physical Review Research -lehdessä.
Pienet magneetit
Einar Standal Digernes keksi kokeissa käytetyt pienet neliömäiset magneetit.
Pienet neliömäiset magneetit, jotka on luonut NTNU Ph.D.ehdokas Einar Standal Digernes, ovat vain kaksi mikrometriä leveitä ja jaettu neljään kolmiomaiseen alueeseen, joista jokaisella on erilainen magneettinen suunta, joka osoittaa myötä- tai vastapäivään magneettien ympärillä.
Tietyissä magneettisissa materiaaleissa pienemmät atomiryhmät yhdistyvät alueiksi, joita kutsutaan alueiksi, joissa kaikilla elektroneilla on sama magneettinen orientaatio.
NTNU-magneeteissa nämä alueet kohtaavat keskipisteessä - pyörteen ytimessä - jossa magneettinen momentti osoittaa suoraan materiaalin tasoon tai ulos siitä.
"Kun käytämme magneettikenttää, yhä useammat näistä alueista osoittavat samaan suuntaan", Folven sanoo."Ne voivat kasvaa ja kutistua, ja sitten ne voivat sulautua toisiinsa."
Elektroneja lähes valonnopeudella
Tämän näkeminen ei ole helppoa.Tutkijat veivät mikromagneetit 80 metriä leveään donitsinmuotoiseen synkrotroniin, joka tunnetaan nimellä BESSY II, Berliinissä, jossa elektroneja kiihdytetään, kunnes ne kulkevat lähes valon nopeudella.Nämä nopeasti liikkuvat elektronit lähettävät sitten erittäin kirkkaita röntgensäteitä.
"Otamme nämä röntgensäteet ja käytämme niitä valona mikroskoopissamme", Folven sanoo.
Koska elektronit kulkevat synkrotronin ympäri nippuina, joita erottaa kaksi nanosekuntia, niiden lähettämät röntgensäteet tulevat tarkkoina pulsseina.
Pyyhkäisevä lähetysröntgenmikroskooppi tai STXM ottaa nämä röntgensäteet luodakseen tilannekuvan materiaalin magneettisesta rakenteesta.Yhdistämällä nämä valokuvat yhteen tutkijat voivat luoda elokuvan, joka näyttää kuinka mikromagneetti muuttuu ajan myötä.
STXM:n avulla Folven ja hänen kollegansa häiritsivät mikromagneettejaan virtapulssilla, joka synnytti magneettikentän, ja näki, että domeenit muuttivat muotoaan ja pyörteen ydin siirtyi keskustasta.
"Sinulla on hyvin pieni magneetti, jonka jälkeen työnnät sitä ja yrität kuvata sitä, kun se asettuu uudelleen", hän sanoo.Myöhemmin he näkivät ytimen palaavan keskelle, mutta mutkittelevaa polkua pitkin, ei suoraa linjaa pitkin.
"Se tanssii tavallaan takaisin keskustaan", Folven sanoo.
Yksi lipsahdus ja se on ohi
Tämä johtuu siitä, että he tutkivat epitaksiaalisia materiaaleja, jotka luodaan substraatin päälle, jonka avulla tutkijat voivat säätää materiaalin ominaisuuksia, mutta jotka estäisivät röntgensäteet STXM:ssä.
NTNU NanoLabissa työskentelevät tutkijat ratkaisivat substraattiongelman hautaamalla mikromagneettinsa hiilikerroksen alle sen magneettisten ominaisuuksien suojaamiseksi.
Sitten he leikkasivat huolellisesti ja tarkasti alla olevan substraatin fokusoidulla gallium-ionisäteellä, kunnes jäljelle jäi vain hyvin ohut kerros.Huolellinen prosessi voi kestää kahdeksan tuntia näytettä kohti – ja yksi lipsahdus voi aiheuttaa katastrofin.
"Kriittinen asia on, että jos tappaa magnetismin, emme tiedä sitä ennen kuin istumme Berliinissä", hän sanoo."Tekkinä on tietysti tuoda useampi kuin yksi näyte."
Perusfysiikasta tulevaisuuden laitteisiin
Onneksi se toimi, ja tiimi käytti huolellisesti valmistettuja näytteitään kartoittamaan, kuinka mikromagneetin alueet kasvavat ja kutistuvat ajan myötä.He loivat myös tietokonesimulaatioita ymmärtääkseen paremmin, mitkä voimat toimivat.
Sen lisäksi, että kehitämme perusfysiikan tietämystämme, sen ymmärtäminen, kuinka magnetismi toimii näillä pituuksilla ja aika-asteikoilla, voi olla hyödyllistä tulevaisuuden laitteiden luomisessa.
Magnetismia käytetään jo tietojen tallentamiseen, mutta tutkijat etsivät parhaillaan tapoja hyödyntää sitä edelleen.Esimerkiksi mikromagneetin pyörteen ytimen ja domeenien magneettisia orientaatioita voitaisiin ehkä käyttää informaation koodaamiseen 0:n ja 1:n muodossa.
Tutkijat pyrkivät nyt toistamaan tämän työn antiferromagneettisilla materiaaleilla, joissa yksittäisten magneettisten momenttien nettovaikutus kumoutuu.Nämä ovat lupaavia tietojenkäsittelyn kannalta – teoriassa antiferromagneettisia materiaaleja voitaisiin käyttää sellaisten laitteiden valmistukseen, jotka vaativat vähän energiaa ja pysyvät vakaina, vaikka virta katkeaa – mutta paljon hankalampaa tutkia, koska niiden tuottamat signaalit ovat paljon heikompia. .
Haasteesta huolimatta Folven on optimistinen."Olemme käsitelleet ensimmäisen vaiheen osoittamalla, että voimme ottaa näytteitä ja katsoa niitä röntgensäteillä", hän sanoo."Seuraava askel on nähdä, voimmeko tehdä riittävän korkealaatuisia näytteitä saadaksemme tarpeeksi signaalia antiferromagneettisesta materiaalista."
Postitusaika: 10.5.2021