Des chercheurs de NTNU mettent en lumière les matériaux magnétiques à petite échelle en créant des films à l'aide de quelques rayons X extrêmement brillants.
Erik Folven, codirecteur du Oxyde Electronics Group du Département des systèmes électroniques de NTNU, et des collègues de l'Université NTNU et de Gand en Belgique ont décidé de voir comment les micromagnes à film mince changent lorsqu'ils sont dérangés par un champ magnétique extérieur. Les travaux, partiellement financés par NTNU Nano et le Research Council of Norway, ont été publiés dans la revue Physical Review Research.
Minuscules aimants
Les digères autonomes d'Einar ont inventé les minuscules aimants carrés utilisés dans les expériences.
Les minuscules aimants carrés, créés par NTNU Ph.D. Les digères autonomes du candidat Einar ne sont que deux micromètres de large et divisaient en quatre domaines triangulaires, chacun avec une orientation magnétique différente pointant dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens antihoraire autour des aimants.
Dans certains matériaux magnétiques, de petits groupes d'atomes se regroupent dans des zones appelées domaines, dans lesquelles tous les électrons ont la même orientation magnétique.
Dans les aimants NTNU, ces domaines se réunissent à un point central - le noyau du vortex - où le moment magnétique pointe directement dans ou hors du plan du matériau.
«Lorsque nous appliquons un champ magnétique, de plus en plus de ces domaines pointeront dans la même direction», explique Folven. «Ils peuvent grandir et ils peuvent rétrécir, puis ils peuvent fusionner les uns dans les autres.»
Électrons presque à la vitesse de la lumière
Voir cela ne se produit pas facile. Les chercheurs ont emmené leurs micromagnes dans un synchrotron en forme de beignet de 80 mètres de large, connu sous le nom de Bessy II, à Berlin, où les électrons sont accélérés jusqu'à ce qu'ils voyagent à presque la vitesse de la lumière. Ces électrons en mouvement rapide émettent ensuite des rayons X extrêmement brillants.
«Nous prenons ces rayons X et les utilisons comme lumière dans notre microscope», explique Folven.
Parce que les électrons se déplacent autour du synchrotron en grappes séparées par deux nanosecondes, les rayons X qu'ils émettent viennent en impulsions précises.
Un microscope à rayons X de transmission à balayage, ou STXM, prend ces rayons X pour créer un instantané de la structure magnétique du matériau. En assemblant ces instantanés ensemble, les chercheurs peuvent essentiellement créer un film montrant comment le micromagnéte change avec le temps.
Avec l'aide du STXM, Folven et ses collègues ont perturbé leurs micromagnes avec une impulsion de courant qui a généré un champ magnétique, et a vu les domaines changer de forme et le noyau du vortex se déplace du centre.
"Vous avez un très petit aimant, puis vous le piquez et essayez de l'imaginer lorsqu'il s'installe à nouveau", dit-il. Ensuite, ils ont vu le noyau retourner au milieu, mais le long d'un chemin sinueux, pas d'une ligne droite.
«Il dansera en quelque sorte au centre», explique Folven.
Un glissement et c'est fini
En effet, ils étudient des matériaux épitaxiaux, qui sont créés au-dessus d'un substrat qui permet aux chercheurs de modifier les propriétés du matériau, mais bloquerait les rayons X dans un STXM.
Travaillant dans NTNU Nanolab, les chercheurs ont résolu le problème du substrat en enfouissant leur micromagence sous une couche de carbone pour protéger ses propriétés magnétiques.
Ensuite, ils ont soigneusement et précisément éloigné le substrat en dessous avec un faisceau focalisé d'ions gallium jusqu'à ce qu'une couche très mince reste. Le processus minutieux pourrait prendre huit heures par échantillon - et un glissement pourrait signifier une catastrophe.
"La chose critique est que, si vous tuez le magnétisme, nous ne le saurons pas avant de nous asseoir à Berlin", dit-il. "L'astuce est, bien sûr, de faire plus d'un échantillon."
De la physique fondamentale aux appareils futurs
Heureusement, cela a fonctionné, et l'équipe a utilisé ses échantillons soigneusement préparés pour tracer comment les domaines du micro-aiment se développent et se rétrécissent avec le temps. Ils ont également créé des simulations informatiques pour mieux comprendre quelles forces étaient à l'œuvre.
En plus de faire avancer nos connaissances de la physique fondamentale, la compréhension du magnétisme fonctionne à ces échelles de longueur et de temps pourrait être utile pour créer de futurs appareils.
Le magnétisme est déjà utilisé pour le stockage des données, mais les chercheurs recherchent actuellement des moyens de l'exploiter davantage. Les orientations magnétiques du noyau du vortex et les domaines d'un micromagnét, par exemple, pourraient peut-être être utilisées pour coder des informations sous forme de 0 et 1.
Les chercheurs visent maintenant à répéter ce travail avec des matériaux anti-ferromagnétiques, où l'effet net des moments magnétiques individuels annule. Ceux-ci sont prometteurs en ce qui concerne l'informatique - en théorie, les matériaux anti-ferromagnétiques pourraient être utilisés pour rendre les appareils qui nécessitent peu d'énergie et rester stables même lorsque la puissance est perdue, mais beaucoup plus difficile à étudier parce que les signaux qu'ils produisent seront beaucoup plus faibles.
Malgré ce défi, Folven est optimiste. «Nous avons couvert le premier terrain en montrant que nous pouvons faire des échantillons et les parcourir avec des rayons X», dit-il. «La prochaine étape sera de voir si nous pouvons faire des échantillons de qualité suffisamment élevée pour obtenir suffisamment de signal d'un matériau anti-ferromagnétique.»
Heure du poste: mai-10-2021