Investigadores da NTNU están a arroxar luz sobre os materiais magnéticos a pequena escala mediante a creación de películas coa axuda de raios X extremadamente brillantes.
Erik Folven, codirector do grupo de electrónica de óxidos no Departamento de Sistemas Electrónicos da NTNU, e os seus colegas da NTNU e da Universidade de Gante, en Bélxica, propuxéronse ver como cambian os microimáns de película fina cando son perturbados por un campo magnético exterior. O traballo, financiado parcialmente por NTNU Nano e o Consello de Investigación de Noruega, publicouse na revista Physical Review Research.
Imáns diminutos
Einar Standal Digernes inventou os diminutos imáns cadrados que se empregaban nos experimentos.
Os diminutos imáns cadrados, creados polo candidato a doutoramento da NTNU Einar Standal Digernes, teñen só dous micrómetros de ancho e están divididos en catro dominios triangulares, cada un cunha orientación magnética diferente que apunta no sentido horario ou antihorario arredor dos imáns.
En certos materiais magnéticos, grupos máis pequenos de átomos agrúpanse en áreas chamadas dominios, nas que todos os electróns teñen a mesma orientación magnética.
Nos imáns NTNU, estes dominios atópanse nun punto central (o núcleo do vórtice) onde o momento magnético apunta directamente cara a dentro ou cara a fóra do plano do material.
«Cando aplicamos un campo magnético, cada vez máis destes dominios apuntan na mesma dirección», afirma Folven. «Poden crecer, poden contraerse e logo fusionarse entre si».
Electróns case á velocidade da luz
Ver isto acontecer non é doado. Os investigadores levaron os seus microimáns a un sincrotrón con forma de rosquilla de 80 m de ancho, coñecido como BESSY II, en Berlín, onde os electróns son acelerados ata que viaxan case á velocidade da luz. Eses electróns de movemento rápido emiten entón raios X extremadamente brillantes.
«Collemos estes raios X e usámolos como luz no noso microscopio», di Folven.
Dado que os electróns viaxan arredor do sincrotrón en feixes separados por dous nanosegundos, os raios X que emiten chegan en pulsos precisos.
Un microscopio de raios X de transmisión por varrido, ou STXM, toma eses raios X para crear unha instantánea da estrutura magnética do material. Ao unir estas instantáneas, os investigadores poden crear basicamente unha película que mostra como cambia o microimán co tempo.
Coa axuda do STXM, Folven e os seus colegas perturbaron os seus microimáns cun pulso de corrente que xerou un campo magnético e viron como os dominios cambiaban de forma e o núcleo do vórtice se movía desde o centro.
«Tes un imán moi pequeno e logo o pinchas e intentas imaxinalo mentres se asenta de novo», di. Despois, viron o núcleo volver ao centro, pero seguindo un camiño sinuoso, non unha liña recta.
«Deixara de bailar de volta ao centro», di Folven.
Un lapsus e acabouse
Isto débese a que estudan materiais epitaxiais, que se crean sobre un substrato que permite aos investigadores axustar as propiedades do material, pero que bloquearía os raios X nun STXM.
Traballando no NanoLab de NTNU, os investigadores resolveron o problema do substrato enterrando o seu microimán baixo unha capa de carbono para protexer as súas propiedades magnéticas.
Despois, cortaron con coidado e precisión o substrato que había debaixo cun feixe enfocado de ións de galio ata que só quedaba unha capa moi fina. O minucioso proceso podía levar oito horas por mostra, e un só erro podía ser un desastre.
«O fundamental é que, se matas o magnetismo, non o saberemos antes de que esteamos en Berlín», di. «O truco está, por suposto, en traer máis dunha mostra».
Da física fundamental aos dispositivos do futuro
Afortunadamente funcionou, e o equipo empregou as súas mostras coidadosamente preparadas para representar graficamente como os dominios do microimán medran e se reducen co tempo. Tamén crearon simulacións por ordenador para comprender mellor que forzas estaban en xogo.
Ademais de avanzar no noso coñecemento da física fundamental, comprender como funciona o magnetismo a estas escalas de lonxitude e tempo podería ser útil para crear futuros dispositivos.
O magnetismo xa se emprega para o almacenamento de datos, pero os investigadores están a buscar xeitos de aproveitalo aínda máis. As orientacións magnéticas do núcleo do vórtice e os dominios dun microimán, por exemplo, poderían empregarse para codificar información en forma de 0 e 1.
Os investigadores pretenden agora repetir este traballo con materiais antiferromagnéticos, nos que o efecto neto dos momentos magnéticos individuais se anula. Estes materiais son prometedores no que respecta á computación (en teoría, os materiais antiferromagnéticos poderían empregarse para fabricar dispositivos que requiran pouca enerxía e permanezan estables mesmo cando se perde a enerxía), pero son moito máis complicados de investigar porque os sinais que producen serán moito máis débiles.
A pesar dese desafío, Folven é optimista. «Cubrimos o primeiro camiño demostrando que podemos facer mostras e examinalas con raios X», di. «O seguinte paso será ver se podemos facer mostras de calidade suficientemente alta para obter suficiente sinal dun material antiferromagnético».
Data de publicación: 10 de maio de 2021