Rannsakendur frá NTNU varpa ljósi á segulmagnað efni í litlum mæli með því að búa til kvikmyndir með hjálp afar bjartra röntgengeisla.
Erik Folven, meðstjórnandi oxíðrafeindahópsins við rafeindakerfisdeild NTNU, og samstarfsmenn frá NTNU og Ghent-háskóla í Belgíu, fóru að kanna hvernig þunnfilmu-örseglar breytast þegar þeir eru truflaðir af utanaðkomandi segulsviði. Verkið, sem að hluta til var fjármagnað af NTNU Nano og rannsóknarráði Noregs, var birt í tímaritinu Physical Review Research.
Smáar seglar
Einar Standal Digernes fann upp litlu ferköntuðu seglana sem notaðir voru í tilraununum.
Smáu ferkantuðu seglarnir, sem doktorsneminn Einar Standal Digernes við NTNU bjó til, eru aðeins tveir míkrómetrar á breidd og skipt í fjögur þríhyrningslaga svæði, hvert með mismunandi segulstefnu sem vísar réttsælis eða rangsælis í kringum seglana.
Í ákveðnum segulmögnuðum efnum mynda smærri hópar atóma svæði sem kallast lén, þar sem allar rafeindir hafa sömu segulstefnu.
Í seglunum frá NTNU mætast þessi svæði í miðpunkti — hvirfilkjarnanum — þar sem segulmomentið bendir beint inn eða út fyrir efnisflötinn.
„Þegar við beitum segulsviði munu fleiri og fleiri af þessum sviðum benda í sömu átt,“ segir Folven. „Þau geta vaxið og þau geta minnkað og síðan geta þau sameinast hvert öðru.“
Rafeindir næstum á ljóshraða
Það er ekki auðvelt að sjá þetta gerast. Rannsakendurnir fóru með örseglana sína í 80 metra breiðan kleinuhringlaga samstillingarbúnað, þekktan sem BESSY II, í Berlín, þar sem rafeindir eru hraðaðar þar til þær ferðast næstum á ljóshraða. Þessar hraðskreiðu rafeindir gefa síðan frá sér afar bjartar röntgengeislanir.
„Við tökum þessar röntgengeislar og notum þær sem ljós í smásjánni okkar,“ segir Folven.
Þar sem rafeindir ferðast um synchrotron-ið í klösum sem eru aðskildar með tveimur nanósekúndum, koma röntgengeislarnir sem þær gefa frá sér í nákvæmum púlsum.
Röntgen-smásjá með skönnunargeislun, eða STXM, notar þessar röntgengeislar til að búa til skyndimynd af segulbyggingu efnisins. Með því að sauma þessar skyndimyndir saman geta vísindamennirnir í raun búið til myndband sem sýnir hvernig örsegulinn breytist með tímanum.
Með hjálp STXM trufluðu Folven og samstarfsmenn hans örsegulmagnaða sína með straumpúlsi sem myndaði segulsvið og sáu lénin breyta um lögun og kjarni hvirfilsins færast frá miðjunni.
„Þú ert með mjög lítinn segul og stingur svo í hann og reynir að sjá hann þegar hann sest aftur,“ segir hann. Eftir það sáu þeir kjarnann snúa aftur til miðjunnar – en eftir krókóttri braut, ekki beinni línu.
„Það mun eins konar dansa aftur að miðjunni,“ segir Folven.
Einn slóði og það er búið
Það er vegna þess að þeir rannsaka epitaxial efni, sem eru búin til ofan á undirlagi sem gerir vísindamönnum kleift að fínstilla eiginleika efnisins, en myndi loka fyrir röntgengeisla í STXM.
Rannsakendurnir störfuðu í NTNU NanoLab og leystu undirlagsvandamálið með því að grafa örsegulinn sinn undir kolefnislagi til að vernda segulmagnaðir eiginleikar þess.
Síðan skáru þeir vandlega og nákvæmlega burt undirlagið undir með einbeittri geisla af gallíumjónum þar til aðeins mjög þunnt lag var eftir. Þetta erfiða ferli gat tekið átta klukkustundir á hvert sýni – og eitt mistök gat þýtt ógæfu.
„Það mikilvægasta er að ef við sleppum segulmagninu, þá vitum við það ekki fyrr en við sitjum í Berlín,“ segir hann. „Bragðið er auðvitað að koma með fleiri en eitt sýni.“
Frá grunn eðlisfræði til framtíðartækja
Sem betur fer virkaði þetta og teymið notaði vandlega útbúin sýni til að kortleggja hvernig svæði örsegulsins vaxa og minnka með tímanum. Þau bjuggu einnig til tölvulíkanir til að skilja betur hvaða kraftar voru að verki.
Auk þess að auka þekkingu okkar á grundvallareðlisfræði gæti skilningur á því hvernig segulmagn virkar á þessum lengdar- og tímakvarða verið gagnlegur við gerð framtíðartækja.
Segulmagn er þegar notað til gagnageymslu, en vísindamenn eru nú að leita leiða til að nýta það frekar. Segulstefnur kjarna hvirfilsins og léna örseguls gætu til dæmis verið notaðar til að umrita upplýsingar í formi núlla og eins.
Rannsakendurnir stefna nú að því að endurtaka þessa vinnu með járnsegulmögnunarefnum, þar sem nettóáhrif einstakra segulmomenta jafnast út. Þetta lofar góðu þegar kemur að tölvunarfræði — í orði kveðnu mætti nota járnsegulmögnunarefni til að búa til tæki sem þurfa litla orku og haldast stöðug jafnvel þegar rafmagn tapast — en mun erfiðara að rannsaka þar sem merkin sem þau framleiða verða mun veikari.
Þrátt fyrir þessa áskorun er Folven bjartsýnn. „Við höfum náð fyrsta áfanga með því að sýna fram á að við getum búið til sýni og skoðað þau með röntgengeislum,“ segir hann. „Næsta skref verður að sjá hvort við getum búið til sýni af nægilega háum gæðum til að fá nægilegt merki frá járnsegulmagnað efni.“
Birtingartími: 10. maí 2021