NTNU:n tutkijat valottavat magneettisia materiaaleja pienissä mittakaavoissa luomalla elokuvia erittäin kirkkaiden röntgensäteiden avulla.
NTNU:n elektronisten järjestelmien laitoksen oksidielektroniikkaryhmän johtaja Erik Folven ja hänen kollegansa NTNU:sta ja Gentin yliopistosta Belgiasta päättivät selvittää, miten ohutkalvomikromagneetit muuttuvat, kun niitä häiritsee ulkoinen magneettikenttä. NTNU Nanon ja Norjan tutkimusneuvoston osittain rahoittama tutkimus julkaistiin Physical Review Research -lehdessä.
Pienet magneetit
Einar Standal Digernes keksi kokeissa käytetyt pienet neliönmuotoiset magneetit.
NTNU:n tohtorikoulutettavan Einar Standal Digernesin luomat pienet neliönmuotoiset magneetit ovat vain kahden mikrometrin levyisiä ja jaettu neljään kolmionmuotoiseen domeeniin, joilla jokaisella on erilainen magneettinen suuntaus osoittaen myötä- tai vastapäivään magneettien ympärille.
Tietyissä magneettisissa materiaaleissa pienemmät atomiryhmät ryhmittyvät alueiksi, joita kutsutaan domeeneiksi, joissa kaikilla elektroneilla on sama magneettinen suuntautuminen.
NTNU-magneeteissa nämä domeenit kohtaavat keskipisteessä – pyörreytimessä – jossa magneettinen momentti osoittaa suoraan materiaalin tasoon tai siitä ulos.
”Kun käytämme magneettikenttää, yhä useammat näistä domeeneista osoittavat samaan suuntaan”, Folven sanoo. ”Ne voivat kasvaa ja kutistua, ja sitten ne voivat yhdistyä toisiinsa.”
Elektronit lähes valonnopeudella
Tämän näkeminen ei ole helppoa. Tutkijat veivät mikromagneettinsa Berliinissä sijaitsevaan 80 metriä leveään, donitsin muotoiseen synkrotroniin, joka tunnetaan nimellä BESSY II. Siellä elektroneja kiihdytetään lähes valonnopeudella. Nämä nopeasti liikkuvat elektronit lähettävät sitten erittäin kirkkaita röntgensäteitä.
"Otamme näitä röntgensäteitä ja käytämme niitä valona mikroskoopissamme", Folven sanoo.
Koska elektronit kulkevat synkrotronin ympäri kahden nanosekunnin välein olevissa nippuissa, niiden lähettämät röntgensäteet tulevat tarkoina pulsseina.
Skannaava röntgenmikroskooppi eli STXM ottaa röntgensäteet ja luo tilannekuvan materiaalin magneettisesta rakenteesta. Yhdistämällä nämä tilannekuvat tutkijat voivat luoda elokuvan, joka näyttää, miten mikromagneetti muuttuu ajan kuluessa.
STXM:n avulla Folven ja hänen kollegansa häiritsivät mikromagneettejaan virtapulssilla, joka tuotti magneettikentän, ja näkivät domeenien muuttavan muotoaan ja pyörreytimen liikkuvan keskeltä.
”Sinulla on hyvin pieni magneetti, ja sitten tökkäät sitä ja yrität kuvata sitä, kun se laskeutuu uudelleen”, hän sanoo. Jälkeenpäin he näkivät ytimen palaavan keskelle – mutta mutkittelevaa reittiä pitkin, eivät suoraa viivaa.
"Se ikään kuin tanssii takaisin keskelle", 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 joka estäisi röntgensäteet STXM:ssä.
NTNU NanoLabissa työskennelleet tutkijat ratkaisivat substraattiongelman hautaamalla mikromagneettinsa hiilikerroksen alle suojatakseen sen magneettisia ominaisuuksia.
Sitten he huolellisesti ja tarkasti lohkaisivat alla olevan substraatin pois kohdennetulla galliuminiasuihkulla, kunnes jäljellä oli vain hyvin ohut kerros. Huolellinen prosessi saattoi kestää kahdeksan tuntia näytettä kohden – ja yksikin virhe saattoi johtaa katastrofiin.
”Ratkaisevaa on, että jos magnetismi tapetaan, emme tiedä sitä ennen kuin istumme Berliinissä”, hän sanoo. ”Juttu on tietenkin siinä, että mukana on oltava useampi kuin yksi näyte.”
Perusfysiikasta tulevaisuuden laitteisiin
Onneksi se toimi, ja tiimi käytti huolellisesti valmistettuja näytteitään kartoittaakseen, miten mikromagneetin domeenit kasvavat ja kutistuvat ajan myötä. He myös loivat tietokonesimulaatioita ymmärtääkseen paremmin, mitkä voimat vaikuttivat.
Perusfysiikan tietämyksemme edistämisen lisäksi magneettisuuden toiminnan ymmärtäminen näillä pituus- ja aikaskaaloilla voisi olla hyödyllistä tulevaisuuden laitteiden luomisessa.
Magnetismia käytetään jo tiedon tallennukseen, mutta tutkijat etsivät parhaillaan tapoja hyödyntää sitä edelleen. Esimerkiksi mikromagneetin pyörreytimen ja domeenien magneettisia orientaatioita voitaisiin ehkä käyttää tiedon koodaamiseen nollien ja ykkösten muodossa.
Tutkijat pyrkivät nyt toistamaan tämän työn antiferromagneettisilla materiaaleilla, joissa yksittäisten magneettisten momenttien nettovaikutus kumoutuu. Nämä ovat lupaavia laskennan kannalta – teoriassa antiferromagneettisia materiaaleja voitaisiin käyttää sellaisten laitteiden valmistukseen, jotka tarvitsevat vähän energiaa ja pysyvät vakaina myös tehokatkoksen aikana – mutta niiden tutkiminen on paljon hankalampaa, koska niiden tuottamat signaalit ovat paljon heikompia.
Haasteesta huolimatta Folven on optimistinen. ”Olemme saavuttaneet ensimmäisen vaiheen osoittamalla, että voimme tehdä näytteitä ja tarkastella niiden läpi röntgensäteillä”, hän sanoo. ”Seuraava askel on selvittää, pystymmekö tekemään riittävän korkealaatuisia näytteitä saadaksemme riittävästi signaalia antiferromagneettisesta materiaalista.”
Julkaisun aika: 10.5.2021