Os investigadores da NTNU están arroxando luz sobre materiais magnéticos a pequena escala creando películas coa axuda duns raios X extremadamente brillantes.
Erik Folven, codirector do grupo de electrónica de óxidos do Departamento de Sistemas Electrónicos de NTNU, e colegas da NTNU e da Universidade de Gante en Bélxica propuxéronse ver como cambian os microimáns de película delgada cando son perturbados por un campo magnético externo.O traballo, financiado parcialmente por NTNU Nano e o Consello de Investigación de Noruega, publicouse na revista Physical Review Research.
Pequenos imáns
Einar Standal Digernes inventou os pequenos imáns cadrados utilizados nos experimentos.
Os pequenos imáns cadrados, creados por NTNU Ph.D.candidato Einar Standal Digernes, teñen só dous micrómetros de ancho e divididos en catro dominios triangulares, cada un cunha orientación magnética diferente apuntando no sentido horario ou antihorario arredor dos imáns.
En certos materiais magnéticos, grupos máis pequenos de átomos únense en áreas chamadas dominios, nas que todos os electróns teñen a mesma orientación magnética.
Nos imáns NTNU, estes dominios reúnense nun punto central, o núcleo do vórtice, onde o momento magnético apunta directamente dentro ou fóra do plano do material.
"Cando aplicamos un campo magnético, cada vez máis estes dominios apuntarán na mesma dirección", di Folven."Poden crecer e encoller, e despois poden fundirse entre si".
Electróns case á velocidade da luz
Ver que isto ocorre non é doado.Os investigadores levaron os seus microimáns a un sincrotrón en forma de rosquilla de 80 m de ancho, coñecido como BESSY II, en Berlín, onde os electróns se aceleran ata viaxar a case a velocidade da luz.Eses electróns en movemento rápido emiten entón raios X extremadamente brillantes.
"Tomamos estes raios X e usámolos como luz no noso microscopio", di Folven.
Como os electróns viaxan ao redor do sincrotrón en grupos separados por dous nanosegundos, os raios X que emiten veñen en pulsos precisos.
Un microscopio de raios X de transmisión de varrido, ou STXM, toma eses raios X para crear unha instantánea da estrutura magnética do material.Ao unir estas instantáneas, os investigadores poden crear esencialmente unha película que mostre como cambia o microimán co paso do tempo.
Coa axuda do STXM, Folven e os seus colegas perturbaron os seus microimáns cun pulso de corrente que xeraba 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 despois pícao e intentas imaxinalo mentres se instala de novo", di.Despois, viron o núcleo volver ao medio, pero por un camiño sinuoso, non unha liña recta.
"Será unha especie de baile de volta ao centro", di Folven.
Un lapsus e acabouse
Isto débese a que estudan materiais epitaxiais, que se crean encima dun substrato que permite aos investigadores modificar as propiedades do material, pero que bloquearían os raios X nun STXM.
Traballando en NTNU NanoLab, os investigadores resolveron o problema do substrato enterrando o seu microimán baixo unha capa de carbono para protexer as súas propiedades magnéticas.
A continuación, cortaron con coidado e precisión o substrato debaixo cun feixe enfocado de ións galio ata que só quedou unha capa moi fina.O minucioso proceso pode levar oito horas por mostra, e un despiste pode significar un desastre.
"O crítico é que, se matas o magnetismo, non o saberemos antes de sentarnos en Berlín", di."O truco é, por suposto, traer máis dunha mostra".
Desde a física fundamental ata os dispositivos do futuro
Afortunadamente, funcionou, e o equipo utilizou as súas mostras coidadosamente preparadas para trazar como medran e encollen os dominios do microimán co paso do tempo.Tamén crearon simulacións por ordenador para comprender mellor que forzas estaban a traballar.
Ademais de avanzar no noso coñecemento da física fundamental, comprender como funciona o magnetismo a estas escalas de lonxitude e tempo pode ser útil para crear futuros dispositivos.
O magnetismo xa se usa para almacenar datos, pero actualmente os investigadores buscan formas de explotalo aínda máis.As orientacións magnéticas do núcleo do vórtice e dos dominios dun microimán, por exemplo, quizais se poidan usar para codificar información en forma de 0 e 1.
Os investigadores agora pretenden repetir este traballo con materiais antiferromagnéticos, onde se anula o efecto neto dos momentos magnéticos individuais.Estes son prometedores cando se trata de computación -en teoría, os materiais antiferromagnéticos poderían usarse para fabricar dispositivos que requiren pouca enerxía e permanecen estables mesmo cando se perda enerxía-, pero é moito máis complicado de investigar porque os sinais que producen serán moito máis débiles. .
Malia ese reto, Folven é optimista."Cubrimos o primeiro terreo demostrando que podemos facer mostras e miralas con raios X", di."O seguinte paso será ver se podemos facer mostras de calidade suficientemente alta para obter o sinal suficiente dun material antiferromagnético".
Hora de publicación: 10-maio-2021