Az NTNU kutatói kis léptékű mágneses anyagokra derítenek fényt azáltal, hogy filmeket készítenek néhány rendkívül fényes röntgensugár segítségével.
Erik Folven, az NTNU Elektronikus Rendszerek Tanszékének oxidelektronikai csoportjának társigazgatója, valamint az NTNU és a belgiumi Genti Egyetem kollégái azt vizsgálták, hogyan változnak a vékonyrétegű mikromágnesek, ha külső mágneses tér zavarja őket. A részben az NTNU Nano és a Norvég Kutatási Tanács által finanszírozott kutatás a Physical Review Research folyóiratban jelent meg.
Apró mágnesek
Einar Standal Digernes találta fel a kísérletekben használt apró, négyzet alakú mágneseket.
Az NTNU PhD-jelöltje, Einar Standal Digernes által létrehozott apró, négyzet alakú mágnesek mindössze két mikrométer szélesek és négy háromszög alakú tartományra oszlanak, amelyek mindegyike más mágneses orientációval rendelkezik, az óramutató járásával megegyező vagy azzal ellentétes irányba mutatva a mágnesek körül.
Bizonyos mágneses anyagokban az atomok kisebb csoportjai doméneknek nevezett területeket alkotnak, amelyekben az összes elektron azonos mágneses orientációval rendelkezik.
Az NTNU mágnesekben ezek a domének egy központi pontban – az örvénymagban – találkoznak, ahol a mágneses momentum közvetlenül az anyag síkjába vagy síkjából mutat.
„Amikor mágneses mezőt alkalmazunk, ezek közül a domének közül egyre több fog ugyanabba az irányba mutatni” – mondja Folven. „Nőhetnek és zsugorodhatnak, majd egymásba olvadhatnak.”
Majdnem fénysebességgel száguldó elektronok
Nem könnyű ezt látni. A kutatók mikromágneseiket egy 80 méter széles, fánk alakú szinkrotronba, a BESSY II-be vitték Berlinben, ahol az elektronokat addig gyorsítják, amíg majdnem fénysebességgel nem haladnak. Ezek a gyorsan mozgó elektronok ezután rendkívül fényes röntgensugarakat bocsátanak ki.
„Ezeket a röntgensugarakat használjuk fényként a mikroszkópunkban” – mondja Folven.
Mivel az elektronok két nanoszekundumnyi távolságra lévő csomókban haladnak a szinkrotron körül, az általuk kibocsátott röntgensugarak precíz impulzusokban érkeznek.
Egy pásztázó transzmissziós röntgenmikroszkóp, vagy STXM, ezeket a röntgensugarakat felhasználva pillanatfelvételt készít az anyag mágneses szerkezetéről. Ezen pillanatképek összeillesztésével a kutatók lényegében egy filmet tudnak készíteni, amely bemutatja, hogyan változik a mikromágnes az idő múlásával.
Az STXM segítségével Folven és kollégái egy áramimpulzussal zavarták meg mikromágneseiket, amely mágneses mezőt generált, és látta, hogy a domének megváltoztatják az alakjukat, az örvénymag pedig elmozdul a középpontból.
„Van egy nagyon kicsi mágnesed, megbököd, és megpróbálod leképezni, ahogy újra leülepedik” – mondja. Később látták, ahogy a mag visszatér a középpontba – de egy kanyargós pályán, nem egyenes vonalban.
„Valahogy vissza fog táncolni a középpontba” – mondja Folven.
Egyetlen csúszás, és vége
Ez azért van, mert epitaxiális anyagokat tanulmányoznak, amelyeket egy olyan hordozó tetején hoznak létre, amely lehetővé teszi a kutatók számára az anyag tulajdonságainak módosítását, de egy STXM-ben blokkolná a röntgensugarakat.
Az NTNU NanoLab-ban dolgozó kutatók úgy oldották meg az aljzat problémáját, hogy mikromágnesüket egy szénréteg alá temették, hogy megvédjék mágneses tulajdonságaikat.
Ezután gondosan és precízen lecsiszolták az alatta lévő hordozót egy fókuszált galliumion-sugárral, amíg csak egy nagyon vékony réteg maradt. A fáradságos folyamat mintánként akár nyolc órát is igénybe vehetett – és egyetlen hiba katasztrófát okozhatott.
„A lényeg az, hogy ha kikapcsoljuk a mágnesességet, ezt csak Berlinben fogjuk tudni” – mondja. „A trükk természetesen az, hogy egynél több mintát kell magunkkal vinni.”
Az alapvető fizikától a jövő eszközeiig
Szerencsére működött, és a csapat a gondosan előkészített mintáit felhasználva feltérképezte, hogyan nőnek és zsugorodnak a mikromágnes doménjei az idő múlásával. Számítógépes szimulációkat is készítettek, hogy jobban megértsék, milyen erők működnek.
Az alapvető fizika ismereteinek bővítése mellett a mágnesesség ezen hosszúságú és időskálákon való működésének megértése is hasznos lehet a jövőbeli eszközök létrehozásában.
A mágnesességet már alkalmazzák adattárolásra, de a kutatók jelenleg további kiaknázási módokat keresnek. Például egy mikromágnes örvénymagjának és doménjeinek mágneses orientációja felhasználható lehetne információk 0-k és 1-ek formájában történő kódolására.
A kutatók most azt tervezik, hogy megismétlik ezt a munkát antiferromágneses anyagokkal, ahol az egyes mágneses momentumok nettó hatása kiegyenlíti egymást. Ezek ígéretesek a számítástechnika szempontjából – elméletileg az antiferromágneses anyagok felhasználhatók olyan eszközök előállítására, amelyek kevés energiát igényelnek, és áramkimaradás esetén is stabilak maradnak –, de sokkal bonyolultabb a vizsgálatuk, mivel az általuk előállított jelek sokkal gyengébbek lesznek.
A kihívás ellenére Folven optimista. „Az első lépést már megtettük azzal, hogy megmutattuk, képesek vagyunk mintákat készíteni, és röntgensugarakkal átvizsgálni őket” – mondja. „A következő lépés az lesz, hogy megvizsgáljuk, tudunk-e kellően jó minőségű mintákat készíteni ahhoz, hogy elegendő jelet kapjunk egy antiferromágneses anyagból.”
Közzététel ideje: 2021. május 10.