Istraživači s NTNU-a istražuju magnetske materijale u malim razmjerima stvarajući filmove uz pomoć izuzetno svijetlih rendgenskih zraka.
Erik Folven, suvoditelj grupe za oksidnu elektroniku na Odjelu za elektroničke sustave Sveučilišta u Tennesseeju (NTNU), i kolege s NTNU-a i Sveučilišta u Gentu u Belgiji krenuli su vidjeti kako se tankoslojni mikromagneti mijenjaju kada ih poremeti vanjsko magnetsko polje. Rad, djelomično financiran od strane NTNU Nano i Norveškog istraživačkog vijeća, objavljen je u časopisu Physical Review Research.
Sitni magneti
Einar Standal Digernes izumio je sitne kvadratne magnete korištene u eksperimentima.
Sitni kvadratni magneti, koje je stvorio doktorand NTNU-a Einar Standal Digernes, široki su samo dva mikrometra i podijeljeni su u četiri trokutaste domene, svaka s drugačijom magnetskom orijentacijom usmjerenom u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu oko magneta.
U određenim magnetskim materijalima, manje skupine atoma povezuju se u područja koja se nazivaju domene, u kojima svi elektroni imaju istu magnetsku orijentaciju.
U NTNU magnetima, ove se domene susreću u središnjoj točki - vrtložnoj jezgri - gdje magnetski moment usmjeren izravno u ili izvan ravnine materijala.
„Kada primijenimo magnetsko polje, sve više i više ovih domena bit će usmjereno u istom smjeru“, kaže Folven. „One mogu rasti i mogu se smanjivati, a zatim se mogu spojiti jedna s drugom.“
Elektroni gotovo brzinom svjetlosti
Nije lako vidjeti kako se to događa. Istraživači su svoje mikromagnete odnijeli u 80 metara široki sinkrotron u obliku krafne, poznat kao BESSY II, u Berlinu, gdje se elektroni ubrzavaju sve dok ne putuju gotovo brzinom svjetlosti. Ti brzi elektroni zatim emitiraju izuzetno svijetle rendgenske zrake.
„Uzimamo ove rendgenske zrake i koristimo ih kao svjetlo u našem mikroskopu“, kaže Folven.
Budući da elektroni putuju sinkrotronom u snopovima razdvojenim dvije nanosekunde, rendgenske zrake koje emitiraju dolaze u preciznim impulsima.
Skenirajući transmisijski rendgenski mikroskop, ili STXM, uzima te rendgenske zrake kako bi stvorio snimak magnetske strukture materijala. Spajanjem tih snimaka, istraživači u biti mogu stvoriti film koji prikazuje kako se mikromagnet mijenja tijekom vremena.
Uz pomoć STXM-a, Folven i njegovi kolege poremetili su svoje mikromagnete pulsom struje koji je generirao magnetsko polje te su vidjeli kako domene mijenjaju oblik, a jezgra vrtloga se pomiče iz središta.
„Imate vrlo mali magnet, a zatim ga ubodete i pokušate ga snimati dok se ponovno smiruje“, kaže. Nakon toga, vidjeli su kako se jezgra vraća u sredinu - ali vijugavom putanjom, a ne ravnom linijom.
„Nekako će se plesom vratiti u središte“, kaže Folven.
Jedan propust i gotovo je
To je zato što proučavaju epitaksijalne materijale, koji se stvaraju na vrhu podloge koja istraživačima omogućuje podešavanje svojstava materijala, ali bi blokirala rendgenske zrake u STXM-u.
Radeći u NTNU NanoLabu, istraživači su riješili problem supstrata zakopavanjem svog mikromagneta ispod sloja ugljika kako bi zaštitili njegova magnetska svojstva.
Zatim su pažljivo i precizno uklanjali podlogu ispod fokusiranim snopom galijevih iona sve dok nije ostao samo vrlo tanki sloj. Mukotrpan proces mogao je trajati osam sati po uzorku - a jedan propust mogao je značiti katastrofu.
„Ključno je to da, ako uništimo magnetizam, to nećemo znati prije nego što sjednemo u Berlin“, kaže. „Trik je, naravno, donijeti više od jednog uzorka.“
Od fundamentalne fizike do budućih uređaja
Srećom, uspjelo je, a tim je koristio svoje pažljivo pripremljene uzorke kako bi prikazao kako domene mikromagneta rastu i smanjuju se tijekom vremena. Također su stvorili računalne simulacije kako bi bolje razumjeli koje sile djeluju.
Osim što unapređuje naše znanje fundamentalne fizike, razumijevanje načina na koji magnetizam djeluje na ovim duljinskim i vremenskim skalama moglo bi biti korisno u stvaranju budućih uređaja.
Magnetizam se već koristi za pohranu podataka, ali istraživači trenutno traže načine za njegovo daljnje iskorištavanje. Magnetska orijentacija vrtložne jezgre i domena mikromagneta, na primjer, možda bi se mogla koristiti za kodiranje informacija u obliku 0 i 1.
Istraživači sada žele ponoviti ovaj rad s antiferomagnetskim materijalima, gdje se neto učinak pojedinačnih magnetskih momenata poništava. To su obećavajući materijali kada je u pitanju računarstvo - teoretski, antiferomagnetski materijali mogli bi se koristiti za izradu uređaja koji zahtijevaju malo energije i ostaju stabilni čak i kada se napajanje prekine - ali ih je puno teže istražiti jer će signali koje proizvode biti puno slabiji.
Unatoč tom izazovu, Folven je optimističan. „Pokrili smo prvu točku pokazujući da možemo napraviti uzorke i pregledati ih rendgenskim zrakama“, kaže. „Sljedeći korak bit će vidjeti možemo li napraviti uzorke dovoljno visoke kvalitete da bismo dobili dovoljno signala iz antiferomagnetskog materijala.“
Vrijeme objave: 10. svibnja 2021.