Para peneliti dari NTNU memberikan wawasan tentang material magnetik pada skala kecil dengan membuat film menggunakan bantuan sinar-X yang sangat terang.
Erik Folven, salah satu direktur kelompok elektronika oksida di Departemen Sistem Elektronik NTNU, dan rekan-rekannya dari NTNU dan Universitas Ghent di Belgia melakukan penelitian untuk melihat bagaimana mikromagnet film tipis berubah ketika diganggu oleh medan magnet eksternal. Penelitian ini, yang sebagian didanai oleh NTNU Nano dan Dewan Riset Norwegia, diterbitkan dalam jurnal Physical Review Research.
Magnet kecil
Einar Standal Digernes menciptakan magnet persegi kecil yang digunakan dalam percobaan tersebut.
Magnet persegi kecil ini, yang dibuat oleh kandidat PhD NTNU Einar Standal Digernes, hanya berukuran dua mikrometer dan terbagi menjadi empat domain segitiga, masing-masing dengan orientasi magnetik yang berbeda yang mengarah searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam di sekitar magnet.
Pada material magnetik tertentu, kelompok atom yang lebih kecil bergabung membentuk area yang disebut domain, di mana semua elektron memiliki orientasi magnetik yang sama.
Pada magnet NTNU, domain-domain ini bertemu di titik pusat—inti pusaran—di mana momen magnetik mengarah langsung ke dalam atau keluar dari bidang material.
“Ketika kita menerapkan medan magnet, semakin banyak domain ini akan mengarah ke arah yang sama,” kata Folven. “Mereka dapat tumbuh dan menyusut, lalu dapat bergabung satu sama lain.”
Elektron bergerak hampir dengan kecepatan cahaya.
Menyaksikan hal ini terjadi bukanlah hal yang mudah. Para peneliti membawa mikromagnet mereka ke sinkrotron berbentuk donat selebar 80 meter, yang dikenal sebagai BESSY II, di Berlin, tempat elektron dipercepat hingga mencapai kecepatan hampir mendekati kecepatan cahaya. Elektron yang bergerak cepat itu kemudian memancarkan sinar-X yang sangat terang.
“Kami mengambil sinar-X ini dan menggunakannya sebagai cahaya di mikroskop kami,” kata Folven.
Karena elektron bergerak mengelilingi sinkrotron dalam kelompok-kelompok yang dipisahkan oleh dua nanodetik, sinar-X yang mereka pancarkan datang dalam bentuk pulsa yang tepat.
Mikroskop transmisi sinar-X pemindaian, atau STXM, mengambil sinar-X tersebut untuk membuat gambaran struktur magnetik material. Dengan menggabungkan gambaran-gambaran ini, para peneliti pada dasarnya dapat membuat film yang menunjukkan bagaimana mikromagnet berubah seiring waktu.
Dengan bantuan STXM, Folven dan rekan-rekannya mengganggu mikromagnet mereka dengan pulsa arus yang menghasilkan medan magnet, dan melihat domain berubah bentuk serta inti pusaran bergerak dari tengah.
“Anda memiliki magnet yang sangat kecil, lalu Anda menusuknya dan mencoba memvisualisasikannya saat ia kembali ke posisi semula,” katanya. Setelah itu, mereka melihat inti tersebut kembali ke tengah—tetapi melalui jalur yang berkelok-kelok, bukan garis lurus.
“Ini akan kembali ke titik tengah,” kata Folven.
Satu kesalahan kecil dan semuanya berakhir.
Itu karena mereka mempelajari material epitaksial, yang dibuat di atas substrat yang memungkinkan para peneliti untuk mengubah sifat material tersebut, tetapi akan menghalangi sinar-X dalam STXM.
Bekerja di NTNU NanoLab, para peneliti memecahkan masalah substrat dengan mengubur mikromagnet mereka di bawah lapisan karbon untuk melindungi sifat magnetiknya.
Kemudian mereka dengan hati-hati dan teliti mengikis substrat di bawahnya dengan berkas ion galium yang terfokus hingga hanya tersisa lapisan yang sangat tipis. Proses yang melelahkan ini bisa memakan waktu delapan jam per sampel—dan satu kesalahan kecil bisa berakibat fatal.
“Yang terpenting adalah, jika Anda menghilangkan daya magnetnya, kita tidak akan mengetahuinya sebelum kita berada di Berlin,” katanya. “Kuncinya, tentu saja, adalah membawa lebih dari satu sampel.”
Dari fisika fundamental hingga perangkat masa depan
Untungnya, upaya itu berhasil, dan tim tersebut menggunakan sampel yang telah mereka siapkan dengan cermat untuk memetakan bagaimana domain mikromagnet tumbuh dan menyusut seiring waktu. Mereka juga membuat simulasi komputer untuk lebih memahami gaya apa yang bekerja.
Selain memajukan pengetahuan kita tentang fisika fundamental, memahami cara kerja magnetisme pada skala panjang dan waktu ini dapat bermanfaat dalam menciptakan perangkat di masa depan.
Magnetisme sudah digunakan untuk penyimpanan data, tetapi para peneliti saat ini sedang mencari cara untuk memanfaatkannya lebih lanjut. Orientasi magnetik inti pusaran dan domain mikromagnet, misalnya, mungkin dapat digunakan untuk mengkodekan informasi dalam bentuk 0 dan 1.
Para peneliti kini berupaya mengulangi pekerjaan ini dengan material antiferomagnetik, di mana efek bersih dari momen magnetik individual saling meniadakan. Material ini menjanjikan dalam hal komputasi—secara teori, material antiferomagnetik dapat digunakan untuk membuat perangkat yang membutuhkan sedikit energi dan tetap stabil bahkan ketika daya hilang—tetapi jauh lebih sulit untuk diteliti karena sinyal yang dihasilkannya akan jauh lebih lemah.
Terlepas dari tantangan itu, Folven tetap optimis. “Kami telah melewati tahap awal dengan menunjukkan bahwa kami dapat membuat sampel dan memeriksanya dengan sinar-X,” katanya. “Langkah selanjutnya adalah melihat apakah kita dapat membuat sampel dengan kualitas yang cukup tinggi untuk mendapatkan sinyal yang cukup dari material antiferomagnetik.”
Waktu posting: 10 Mei 2021