Investigadores de NTNU están arroxando luz sobre materiais magnéticos a pequenas escalas creando películas coa axuda dalgúns raios X extremadamente brillantes.
Erik Folven, codirector do grupo de electrónica de óxido no Departamento de Sistemas Electrónicos de NTNU, e colegas da NTNU e da Universidade Gante de Bélxica, propuxéronse ver como cambian os micromagnetos de película fina cando se perturban por un campo magnético exterior. O traballo, financiado parcialmente por NTNU Nano e o Consello de Investigación de Noruega, foi publicado na revista Physical Review Research.
Pequenos imáns
Einar Digernes autónomo inventou os pequenos imáns cadrados empregados nos experimentos.
Os pequenos imáns cadrados, creados por NTNU Ph.D. Os digernes autónomos do candidato Einar, teñen só dous micrómetros de ancho e divídense en catro dominios triangulares, cada un cunha orientación magnética diferente apuntando no sentido das agullas do reloxo ou no sentido horario arredor dos imáns.
En certos materiais magnéticos, grupos máis pequenos de átomos unen áreas chamadas dominios, nos que todos os electróns teñen a mesma orientación magnética.
Nos imáns NTNU, estes dominios reúnense nun punto central, o núcleo de vórtice, onde o momento magnético apunta directamente dentro ou fóra do plano do material.
"Cando aplicamos un campo magnético, cada vez máis destes dominios apuntarán na mesma dirección", di Folven. "Poden crecer e poden encollerse, e logo poden fusionarse entre si."
Electróns case á velocidade da luz
Ver isto non é fácil. Os investigadores levaron os seus micromagnets a un sincrotrón en forma de rosquilla de 80 metros de ancho, coñecido como Bessy II, en Berlín, onde se aceleran os electróns ata que viaxan case a velocidade da luz. Estes electróns en movemento rápido emiten raios X extremadamente brillantes.
"Tomamos estes raios X e usalos como luz no noso microscopio", di Folven.
Debido a que os electróns viaxan ao redor do sincrotrón en acios separados por dous nanosegundos, os raios X que emiten veñen en pulsos precisos.
Un microscopio de raios X de transmisión de dixitalización ou STXM, leva eses raios X para crear unha instantánea da estrutura magnética do material. Ao xuntar estas instantáneas, os investigadores poden crear esencialmente unha película que mostra como cambia o micromagnet co paso do tempo.
Coa axuda do STXM, Folven e os seus compañeiros perturbaron os seus micromagnets cun pulso de corrente que xerou un campo magnético e viron que os dominios cambian a forma e o núcleo do vórtice se moven do centro.
"Ten un imán moi pequeno, e logo póñao e intenta imaxinalo mentres se asenta", afirma. Despois, viron o núcleo regresar ao medio, pero por un camiño sinuoso, non unha liña recta.
"Vai bailar ao centro", di Folven.
Un deslizamento e acabouse
Isto é porque estudan materiais epitaxiais, que se crean encima dun substrato que permite aos investigadores axustar as propiedades do material, pero bloquearían os raios X nun STXM.
Traballando en NTNU Nanolab, os investigadores resolveron o problema do substrato enterrando o seu micromagnet baixo unha capa de carbono para protexer as súas propiedades magnéticas.
A continuación, coidaron e precisamente o substrato debaixo cun feixe centrado de ións de galio ata que só quedou unha capa moi fina. O proceso minucioso podería levar oito horas por mostra e un deslizamento podería deletrear un desastre.
"O crítico é que, se matas o magnetismo, non o saberemos antes de sentarnos en Berlín", afirma. "O truco é, por suposto, traer máis dunha mostra."
Da física fundamental a futuros dispositivos
Afortunadamente funcionou e o equipo empregou as súas mostras coidadosamente preparadas para trazar como os dominios do Micromagnet crecen e se reducen co paso do tempo. Tamén crearon simulacións informáticas para comprender mellor que forzas estaban no traballo.
Ademais de avanzar nos nosos coñecementos sobre a física fundamental, comprender como funciona o magnetismo a estas escalas de tempo e tempo podería ser útil para crear futuros dispositivos.
O magnetismo xa se usa para o almacenamento de datos, pero os investigadores están a buscar formas de explotalo aínda máis. As orientacións magnéticas do núcleo de vórtice e dominios dun micromagnet, por exemplo, quizais se poidan usar para codificar información en forma de 0 e 1s.
Os investigadores agora teñen como obxectivo repetir este traballo con materiais anti-ferromagnéticos, onde o efecto neto dos momentos magnéticos individuais cancela. Estes son prometedores cando se trata de informática: en teoría, os materiais anti-ferromagnéticos poderían usarse para facer dispositivos que requiran pouca enerxía e permanecen estables incluso cando se perde a potencia, pero moito máis complicado de investigar porque os sinais que producen serán moito máis débiles.
A pesar dese reto, Folven é optimista. "Cubrimos o primeiro chan mostrando que podemos facer mostras e miralas con raios X", afirma. "O seguinte paso será ver se podemos facer mostras de calidade suficientemente alta para obter o sinal suficiente dun material anti-ferromagnético."
Tempo de publicación: maio-10-2021