Az NTNU kutatói kisméretű mágneses anyagokra rávilágítanak, filmeket készítve néhány rendkívül fényes röntgenfelvétel segítségével.
Erik Folven, az NTNU elektronikus rendszerek osztályának oxid elektronikai csoportjának társigazgatója, valamint a belgiumi NTNU és a Gent Egyetem kollégái arra törekedtek, hogy megnézze, hogyan változnak a vékony film mikromágnesek, ha egy külső mágneses mező zavart. Az NTNU Nano és a Norvég Kutatási Tanács részben finanszírozott munkát a Physical Review Research folyóiratban tették közzé.
Apró mágnesek
Az Einar Standal Digernes feltalálta a kísérletekben használt apró négyzetmágneseket.
Az apró négyzet alakú mágnesek, amelyeket az NTNU Ph.D. A jelölt Einar önálló kiemelés, mindössze két mikrométer széles, és négy háromszög alakú doménre oszlik, amelyek mindegyike eltérő mágneses orientációval az óramutató járásával megegyező vagy az óramutató járásával ellentétes irányban mutat a mágnesek körül.
Bizonyos mágneses anyagokban a kisebb atomcsoportok domaineknek nevezett területekre lépnek össze, amelyekben az összes elektron azonos mágneses orientációval rendelkezik.
Az NTNU mágnesekben ezek a domainek egy központi ponton - az örvénymagban - találkoznak, ahol a mágneses pillanat közvetlenül az anyag síkjában vagy onnan mutat.
"Amikor mágneses mezőt alkalmazunk, ezeknek a domaineknek egyre több és több ugyanabba az irányba mutat" - mondja Folven. "Növekedhetnek, és összehúzódhatnak, majd összeolvadhatnak egymásba."
Elektronok majdnem a fénysebességen
Látni, hogy ez megtörténik, nem könnyű. A kutatók mikromágneseiket egy 80 méteres fánk alakú szinkrotronra vitték, Bessy II néven, Berlinben, ahol az elektronok felgyorsulnak, amíg szinte fénysebességgel nem haladnak. Ezek a gyorsan mozgó elektronok ezután rendkívül fényes röntgenfelvételeket bocsátanak ki.
"Fogadjuk ezeket a röntgenfelvételeket, és mikroszkópunkban fényként használjuk őket"-mondja Folven.
Mivel az elektronok két nanosekundummal elválasztott csokrokban haladnak a szinkrotron körül, az általuk kibocsátott röntgen pontos impulzusokban érkezik.
A szkennelő sebességváltó röntgenmikroszkópja, vagy az STXM, ezeket a röntgenfelvételeket készíti az anyag mágneses szerkezetéről. Ha ezeket a pillanatképeket összerakják, a kutatók alapvetően olyan filmet készíthetnek, amely megmutatja, hogyan változik a mikromágnes idővel.
Az STXM segítségével a folfen és kollégái megzavarják a mikromágneseket olyan áramimpulzussal, amely mágneses teret generált, és látta, hogy a domainek alakja megváltozik, és az örvény magjának mozgatása a középpontból.
"Van egy nagyon kicsi mágnesed, majd piszkálod, és megpróbálja elképzelni, ahogy újra rendez" - mondja. Utána azt látták, hogy a mag visszatér a középpontba, de a kanyargós út mentén, nem pedig egyenes vonalon.
"Ez valamilyen módon vissza fog táncolni a központba" - mondja Folven.
Egy csúszás és vége
Ennek oka az, hogy az epitaxiális anyagokat tanulmányozzák, amelyek egy szubsztrát tetején készülnek, amely lehetővé teszi a kutatók számára, hogy az anyag tulajdonságait módosítsák, de blokkolják a röntgenfelvételeket egy STXM-ben.
Az NTNU nanolabban dolgozó kutatók a szubsztrátproblémát úgy oldották meg, hogy mikromágnesüket egy szénréteg alatt temették el, hogy megvédjék mágneses tulajdonságait.
Ezután óvatosan és pontosan elcsúsztatták a szubsztrátot egy fókuszált gallium -ionsugarat, amíg csak egy nagyon vékony réteg maradt. A gondoskodási folyamat mintánként nyolc órát vehet igénybe - és egy csúszás katasztrófát okozhat.
"A kritikus dolog az, hogy ha megöli a mágnesességet, akkor ezt nem fogjuk tudni, mielőtt Berlinben ülünk" - mondja. "A trükk természetesen az, hogy egynél több mintát hozzon."
Az alapvető fizikától a jövőbeli eszközökig
Szerencsére ez működött, és a csapat gondosan előkészített mintáikkal felhasználta a mikromágnes domainjeinek növekedését és az idő múlásával csökkenését. Számítógépes szimulációkat készítettek annak érdekében, hogy jobban megértsék, mely erők dolgoztak.
Az alapvető fizika ismereteink előmozdítása mellett a jövőbeli eszközök létrehozásában hasznos lehet annak megértése, hogy a mágnesesség ilyen hosszú és idő skálán működik.
A mágnesességet már használják az adattároláshoz, de a kutatók jelenleg arra törekszenek, hogy miként használják fel a továbbfejlesztést. Például az örvénymag és a mikromágnes domének mágneses orientációja felhasználható az információk kódolására 0 és 1 -es formában.
A kutatók most arra törekszenek, hogy megismételjék ezt a munkát anti-ferromágneses anyagokkal, ahol az egyes mágneses momentumok nettó hatása megszűnik. Ezek ígéretesek a számítástechnika szempontjából-az elméletben az anti-ferromágneses anyagok felhasználhatók olyan eszközök előállítására, amelyek kevés energiát igényelnek, és még akkor is stabilak maradnak, ha elvesznek-, de sokkal trükkösebb megvizsgálni, mert az általuk előállított jelek sokkal gyengébbek lesznek.
Ennek a kihívásnak ellenére a folven optimista. "Az első talajt úgy fedeztük le, hogy megmutatjuk, hogy készíthetünk mintákat, és röntgenfelvételekkel átnézhetjük őket"-mondja. "A következő lépés az lesz, hogy megvizsgáljuk, hogy képesek-e elég jó minőségű mintákat készíteni ahhoz, hogy elegendő jelet kapjunk egy anti-ferromágneses anyagból."
A postai idő: május-10-2021