Az NTNU kutatói kis léptékű mágneses anyagokra derítenek fényt azáltal, hogy filmeket készítenek néhány rendkívül fényes röntgensugárzás segítségével.
Erik Folven, az NTNU Elektronikai Rendszerek Tanszékének oxidelektronikai csoportjának társigazgatója, valamint kollégái az NTNU-ról és a belgiumi Genti Egyetemről arra vállalkoztak, hogy megnézzék, hogyan változnak a vékonyrétegű mikromágnesek, ha külső mágneses tér megzavarja őket.Az NTNU Nano és a Norvég Kutatási Tanács által részben finanszírozott munkát a Physical Review Research folyóiratban tették közzé.
Apró mágnesek
Einar Standal Digernes találta fel a kísérletekben használt apró négyzet alakú mágneseket.
Az apró négyzet alakú mágnesek, amelyeket az NTNU Ph.D.Einar Standal Digernes jelölt, mindössze két mikrométer szélesek, és négy háromszög alakú tartományra oszlanak, amelyek mindegyike más-más mágneses orientációval az óramutató járásával megegyező vagy azzal ellentétes irányba mutat a mágnesek körül.
Bizonyos mágneses anyagokban az atomok kisebb csoportjai doméneknek nevezett területekre kötődnek össze, amelyekben az összes elektron azonos mágneses orientációval rendelkezik.
Az NTNU mágnesekben ezek a tartományok egy központi pontban – az örvénymagban – találkoznak, ahol a mágneses momentum közvetlenül az anyag síkjába vagy abból kifelé mutat.
„Amikor mágneses teret alkalmazunk, egyre több ilyen tartomány fog ugyanabba az irányba mutatni” – mondja Folven."Növekedhetnek és zsugorodhatnak, majd összeolvadhatnak egymással."
Elektronok szinte fénysebességgel
Ezt látni nem könnyű.A kutatók mikromágneseiket egy 80 méter széles, fánk alakú szinkrotronba, a BESSY II-be vitték Berlinben, ahol az elektronokat addig gyorsítják, amíg szinte fénysebességgel nem haladnak.Ezek a gyorsan mozgó elektronok aztán rendkívül fényes röntgensugarakat bocsátanak ki.
„Ezeket a röntgensugarakat készítjük, és fényként használjuk a mikroszkópunkban” – mondja Folven.
Mivel az elektronok két nanomásodpercnyire elválasztott kötegekben haladnak a szinkrotron körül, az általuk kibocsátott röntgensugárzás precíz impulzusok formájában érkezik.
A pásztázó transzmissziós röntgenmikroszkóp (STXM) ezeket a röntgensugarakat veszi fel, hogy pillanatfelvételt készítsen az anyag mágneses szerkezetéről.Ezeket a pillanatfelvételeket összeillesztve a kutatók lényegében egy filmet hozhatnak létre, amely bemutatja, hogyan változik a mikromágnes az idő múlásával.
Az STXM segítségével Folven és munkatársai mágneses teret generáló áramimpulzussal megzavarták mikromágneseiket, és látták, hogy a domének alakja megváltozik, és az örvénymag elmozdul a középpontból.
„Van egy nagyon kicsi mágnesed, majd megbököd, és megpróbálod leképezni, ahogy újra leülepszik” – mondja.Utána látták, hogy a mag visszatér a közepébe – de kanyargós úton, nem egyenes vonalon.
„Vissza fog táncolni a központba” – mondja Folven.
Egy csúszás és vége
Ennek az az oka, hogy epitaxiális anyagokat tanulmányoznak, amelyeket olyan szubsztrátum tetején hoznak létre, amely lehetővé teszi a kutatók számára, hogy módosítsák az anyag tulajdonságait, de blokkolják a röntgensugarakat az STXM-ben.
Az NTNU NanoLab-ban dolgozó kutatók úgy oldották meg a szubsztrát problémát, hogy a mikromágnesüket szénréteg alá temették, hogy megvédjék annak mágneses tulajdonságait.
Ezután óvatosan és pontosan leforgácsolták az alatta lévő hordozót fókuszált galliumion-sugárral, amíg csak egy nagyon vékony réteg maradt.A gondos folyamat mintánként nyolc órát vehet igénybe – és egy elcsúszás katasztrófát jelenthet.
„A kritikus dolog az, hogy ha megöljük a mágnesességet, nem fogjuk tudni, mielőtt Berlinben ülünk” – mondja."A trükk természetesen az, hogy egynél több mintát kell hozni."
Az alapvető fizikától a jövőbeli eszközökig
Szerencsére működött, és a csapat gondosan előkészített mintáival feltérképezte, hogyan nőnek és zsugorodnak a mikromágnes tartományai az idő múlásával.Számítógépes szimulációkat is készítettek, hogy jobban megértsék, milyen erők működnek.
Az alapvető fizikával kapcsolatos ismereteink bővítése mellett a mágnesesség működésének megértése ilyen hosszúságú és időskálán hasznos lehet a jövőbeli eszközök létrehozásában.
A mágnesességet már használják adattárolásra, de a kutatók jelenleg keresik annak további hasznosításának módjait.Például egy mikromágnes örvénymagjának és tartományainak mágneses orientációja felhasználható információ 0-k és 1-ek formájában történő kódolására.
A kutatók most arra törekednek, hogy ezt a munkát antiferromágneses anyagokkal is megismételjék, ahol az egyes mágneses momentumok nettó hatása megszűnik.Ezek ígéretesek a számítástechnika terén – elméletileg az antiferromágneses anyagokból olyan eszközöket lehetne készíteni, amelyek kis energiát igényelnek, és akkor is stabilak maradnak, ha áramszünet –, de sokkal bonyolultabb a vizsgálatuk, mert az általuk generált jelek sokkal gyengébbek lesznek. .
A kihívás ellenére Folven optimista.„Az első lépést megtettük azzal, hogy megmutattuk, hogy tudunk mintákat készíteni, és azokat röntgensugarakkal átnézni” – mondja."A következő lépés annak megvizsgálása lesz, hogy tudunk-e kellően jó minőségű mintákat készíteni ahhoz, hogy elegendő jelet kapjunk egy antiferromágneses anyagból."
Feladás időpontja: 2021. május 10