• berita

Cara baru untuk melihat cara kerja bagian dalam magnet kecil

Para peneliti dari NTNU tengah mengungkap material magnetik dalam skala kecil dengan membuat film menggunakan bantuan beberapa sinar X yang sangat terang.

Erik Folven, salah satu direktur kelompok elektronik oksida di Departemen Sistem Elektronik NTNU, beserta rekan-rekan dari NTNU dan Universitas Ghent di Belgia, meneliti bagaimana mikromagnet film tipis berubah ketika diganggu oleh medan magnet eksternal. Penelitian ini, yang sebagian didanai oleh NTNU Nano dan Dewan Riset Norwegia, dipublikasikan di jurnal Physical Review Research.

Magnet kecil

Einar Standal Digernes menemukan magnet persegi kecil yang digunakan dalam percobaan.

Magnet persegi kecil, yang diciptakan oleh kandidat Ph.D. NTNU Einar Standal Digernes, lebarnya hanya dua mikrometer dan terbagi menjadi empat domain segitiga, masing-masing dengan orientasi magnetik berbeda yang mengarah searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam di sekitar magnet.

Pada bahan magnetik tertentu, kelompok atom yang lebih kecil bergabung menjadi area yang disebut domain, di mana semua elektron memiliki orientasi magnetik yang sama.

Pada magnet NTNU, domain-domain ini bertemu di satu titik pusat—inti pusaran—di mana momen magnetik mengarah langsung ke dalam atau ke luar bidang material.

"Ketika kita menerapkan medan magnet, semakin banyak domain ini yang akan mengarah ke arah yang sama," kata Folven. "Mereka bisa membesar, bisa mengecil, lalu menyatu."

Elektron hampir pada kecepatan cahaya

Melihat hal ini terjadi tidaklah mudah. ​​Para peneliti membawa mikromagnet mereka ke sebuah sinkrotron berbentuk donat selebar 80 meter, yang dikenal sebagai BESSY II, di Berlin. Di sana, elektron-elektron dipercepat hingga bergerak hampir secepat cahaya. Elektron-elektron yang bergerak cepat ini 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 yang terpisah sejauh dua nanodetik, sinar-X yang dipancarkannya datang dalam pulsa yang tepat.

Mikroskop sinar-X transmisi pemindaian, atau STXM, mengambil sinar-X tersebut untuk membuat cuplikan struktur magnetik material. Dengan menggabungkan cuplikan-cuplikan 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 denyut arus yang menghasilkan medan magnet, dan melihat domain berubah bentuk dan inti pusaran bergerak dari pusat.

"Anda punya magnet yang sangat kecil, lalu Anda tusuk dan coba bayangkan saat magnet itu kembali stabil," ujarnya. Setelah itu, mereka melihat inti magnet kembali ke tengah—tetapi melalui jalur yang berkelok-kelok, bukan garis lurus.

“Itu akan seperti menari kembali ke tengah,” kata Folven.

Satu kesalahan dan semuanya berakhir

Itu karena mereka mempelajari bahan epitaksial, yang dibuat di atas substrat yang memungkinkan peneliti untuk mengubah sifat bahan, 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 presisi mengikis substrat di bawahnya dengan sinar 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 saja bisa berakibat bencana.

"Yang penting, kalau magnetnya dimatikan, kita baru tahu setelah kita sampai di Berlin," ujarnya. "Tentu saja, kuncinya adalah membawa lebih dari satu sampel."

Dari fisika fundamental hingga perangkat masa depan

Untungnya, metode ini berhasil, dan tim menggunakan sampel yang telah disiapkan dengan cermat untuk memetakan bagaimana domain mikromagnet tumbuh dan menyusut seiring waktu. Mereka juga menciptakan simulasi komputer untuk lebih memahami gaya apa yang bekerja.

Selain memajukan pengetahuan kita tentang fisika fundamental, memahami cara kerja magnet pada skala panjang dan waktu ini dapat membantu dalam menciptakan perangkat 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 angka 0 dan 1.

Para peneliti kini berencana mengulangi penelitian ini dengan material anti-feromagnetik, yang efek bersih dari momen magnetik individualnya saling meniadakan. Hal ini menjanjikan dalam hal komputasi—secara teori, material anti-feromagnetik dapat digunakan untuk membuat perangkat yang membutuhkan sedikit energi dan tetap stabil bahkan ketika daya padam—tetapi jauh lebih sulit untuk diselidiki karena sinyal yang dihasilkannya akan jauh lebih lemah.

Meskipun demikian, Folven tetap optimis. "Kami telah mencapai titik awal dengan menunjukkan bahwa kami dapat membuat sampel dan memeriksanya menggunakan sinar-X," ujarnya. "Langkah selanjutnya adalah melihat apakah kami dapat membuat sampel dengan kualitas yang cukup tinggi untuk mendapatkan sinyal yang cukup dari material anti-feromagnetik."


Waktu posting: 10 Mei 2021