Փոքրիկ մագնիսների ներքին գործունեությանը նայելու նոր եղանակ

NTNU-ի հետազոտողները լույս են սփռում փոքր մասշտաբների մագնիսական նյութերի վրա՝ ստեղծելով ֆիլմեր որոշ չափազանց պայծառ ռենտգենյան ճառագայթների օգնությամբ:

Էրիկ Ֆոլվենը՝ NTNU-ի էլեկտրոնային համակարգերի ամբիոնի օքսիդային էլեկտրոնիկայի խմբի համանախագահը, և NTNU-ի ու Բելգիայի Գենտի համալսարանի գործընկերները որոշել են պարզել, թե ինչպես են բարակ թաղանթային միկրոմագնիսները փոխվում արտաքին մագնիսական դաշտի ազդեցության տակ։ NTNU Nano-ի և Նորվեգիայի հետազոտական ​​խորհրդի կողմից մասամբ ֆինանսավորված աշխատանքը հրապարակվել է Physical Review Research ամսագրում։

Փոքրիկ մագնիսներ

Այնար Ստանդալ Դիգերնեսը հորինել է փորձերում օգտագործված փոքրիկ քառակուսի մագնիսները։

NTNU-ի դոկտորանտ Էյնար Ստանդալ Դիգերնեսի կողմից ստեղծված փոքրիկ քառակուսի մագնիսները ընդամենը երկու միկրոմետր լայնություն ունեն և բաժանված են չորս եռանկյունաձև տիրույթների, որոնցից յուրաքանչյուրն ունի տարբեր մագնիսական ուղղվածություն՝ ուղղված ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ կամ հակառակ ուղղությամբ մագնիսների շուրջը։

Որոշակի մագնիսական նյութերում ատոմների ավելի փոքր խմբերը միավորվում են՝ ստեղծելով տիրույթներ, որոնցում բոլոր էլեկտրոններն ունեն նույն մագնիսական կողմնորոշումը։

NTNU մագնիսներում այս տիրույթները հանդիպում են կենտրոնական կետում՝ մրրիկի միջուկում, որտեղ մագնիսական մոմենտը ուղղակիորեն ուղղված է նյութի հարթության մեջ կամ դրանից դուրս։

«Երբ մենք կիրառում ենք մագնիսական դաշտ, այս տիրույթներից ավելի ու ավելի շատերը կուղղվեն նույն ուղղությամբ», - ասում է Ֆոլվենը: «Դրանք կարող են մեծանալ և կծկվել, ապա միաձուլվել միմյանց հետ»:

Էլեկտրոններ գրեթե լույսի արագությամբ

Սա տեսնելը հեշտ չէ։ Հետազոտողները իրենց միկրոմագնիսները տարել են Բեռլինում գտնվող 80 մետր լայնությամբ բլիթաձև սինխրոտրոն, որը հայտնի է որպես BESSY II, որտեղ էլեկտրոնները արագանում են մինչև լույսի արագությամբ շարժվելը։ Այդ արագ շարժվող էլեկտրոնները այնուհետև արձակում են չափազանց պայծառ ռենտգենյան ճառագայթներ։

«Մենք վերցնում ենք այս ռենտգենյան ճառագայթները և օգտագործում դրանք որպես լույս մեր մանրադիտակում», - ասում է Ֆոլվենը։

Քանի որ էլեկտրոնները սինխրոտրոնի շուրջը շարժվում են երկու նանովայրկյաններով իրարից բաժանված փնջերով, դրանց կողմից արձակվող ռենտգենյան ճառագայթները գալիս են ճշգրիտ իմպուլսներով։

Սկանավորող թափանցելի ռենտգենյան մանրադիտակը, կամ STXM-ը, այդ ռենտգենյան ճառագայթները վերցնում է նյութի մագնիսական կառուցվածքի պատկեր ստեղծելու համար: Այս պատկերները միացնելով՝ հետազոտողները կարող են էապես ստեղծել մի ֆիլմ, որը ցույց է տալիս, թե ինչպես է միկրոմագնիսը փոխվում ժամանակի ընթացքում:

STXM-ի օգնությամբ Ֆոլվենը և նրա գործընկերները խանգարեցին իրենց միկրոմագնիսներին հոսանքի իմպուլսով, որը առաջացրեց մագնիսական դաշտ, և տեսան, թե ինչպես են տիրույթները փոխում ձևը, իսկ մրրիկի միջուկը շարժվում կենտրոնից։

«Դուք ունեք շատ փոքր մագնիս, ապա դուք այն խփում եք և փորձում պատկերել, թե ինչպես է այն կրկին նստում», - ասում է նա: Հետագայում նրանք տեսան, թե ինչպես է միջուկը վերադառնում կենտրոն, բայց ոլորապտույտ ճանապարհով, այլ ոչ թե ուղիղ գծով:

«Այն կարծես պարելով կվերադառնա կենտրոն», - ասում է Ֆոլվենը։

Մեկ սայթաքում և վերջ

Դա պայմանավորված է նրանով, որ նրանք ուսումնասիրում են էպիտաքսիալ նյութեր, որոնք ստեղծվում են հիմքի վրա, որը թույլ է տալիս հետազոտողներին փոփոխել նյութի հատկությունները, բայց կարգելափակի ռենտգենյան ճառագայթները STXM-ում։

NTNU NanoLab-ում աշխատելով՝ հետազոտողները լուծեցին հիմքի խնդիրը՝ իրենց միկրոմագնիսը թաղելով ածխածնի շերտի տակ՝ դրա մագնիսական հատկությունները պաշտպանելու համար։

Այնուհետև նրանք զգուշորեն և ճշգրտորեն մանրացրին ներքևի հիմքը գալիումի իոնների կենտրոնացված փնջով, մինչև որ մնաց միայն շատ բարակ շերտ։ Յուրաքանչյուր նմուշի համար այս մանրակրկիտ գործընթացը կարող էր տևել ութ ժամ, և մեկ սխալը կարող էր աղետի հանգեցնել։

«Կարևորն այն է, որ եթե սպանենք մագնիսականությունը, մենք դա չենք իմանա մինչև Բեռլինում նստելը», - ասում է նա: «Հնարքն, իհարկե, մեկից ավելի նմուշ բերելն է»:

Հիմնարար ֆիզիկայից մինչև ապագայի սարքեր

Բարեբախտաբար, դա աշխատեց, և թիմը օգտագործեց իրենց ուշադիր պատրաստված նմուշները՝ գծագրելու համար, թե ինչպես են միկրոմագնիսի տիրույթները ժամանակի ընթացքում աճում և կծկվում: Նրանք նաև ստեղծեցին համակարգչային սիմուլյացիաներ՝ ավելի լավ հասկանալու համար, թե ինչ ուժեր էին գործում:

Բացի հիմնարար ֆիզիկայի մեր գիտելիքների զարգացումից, այս երկարության և ժամանակի մասշտաբներում մագնիսականության գործողության ըմբռնումը կարող է օգտակար լինել ապագայի սարքեր ստեղծելու համար։

Մագնիսականությունն արդեն օգտագործվում է տվյալների պահպանման համար, սակայն հետազոտողները ներկայումս փնտրում են այն ավելի խորը օգտագործելու եղանակներ: Օրինակ՝ միկրոմագնիսի մրրիկի միջուկի և տիրույթների մագնիսական կողմնորոշումները կարող են օգտագործվել տեղեկատվությունը 0-ների և 1-երի տեսքով կոդավորելու համար:

Հետազոտողները այժմ նպատակ ունեն կրկնել այս աշխատանքը հակաֆերոմագնիսական նյութերի վրա, որտեղ առանձին մագնիսական մոմենտների զուտ ազդեցությունը չեզոքանում է: Սրանք խոստումնալից են, երբ խոսքը վերաբերում է համակարգչային տեխնոլոգիաներին. տեսականորեն, հակաֆերոմագնիսական նյութերը կարող են օգտագործվել այնպիսի սարքեր պատրաստելու համար, որոնք քիչ էներգիա են պահանջում և կայուն են մնում նույնիսկ էլեկտրաէներգիայի անջատման դեպքում, սակայն դրանք շատ ավելի բարդ են ուսումնասիրելու համար, քանի որ դրանց կողմից արտադրվող ազդանշանները շատ ավելի թույլ կլինեն:

Այդ մարտահրավերին չնայած՝ Ֆոլվենը լավատես է։ «Մենք հաղթահարել ենք առաջին փուլը՝ ցույց տալով, որ կարող ենք նմուշներ պատրաստել և դրանց միջով ռենտգենյան ճառագայթներով զննել», - ասում է նա։ «Հաջորդ քայլը կլինի տեսնել, թե արդյոք կարող ենք բավականաչափ բարձր որակի նմուշներ պատրաստել՝ հակաֆերոմագնիսական նյութից բավարար ազդանշան ստանալու համար»։