I ricercatori della NTNU stanno facendo luce sui materiali magnetici su piccola scala creando filmati con l'ausilio di raggi X estremamente luminosi.
Erik Folven, co-direttore del gruppo di elettronica degli ossidi presso il Dipartimento di Sistemi Elettronici della NTNU, e colleghi della NTNU e dell'Università di Gand in Belgio, hanno deciso di osservare come i micromagneti a film sottile cambiano quando vengono disturbati da un campo magnetico esterno. Il lavoro, parzialmente finanziato dalla NTNU Nano e dal Consiglio per la Ricerca norvegese, è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Research.
Piccoli magneti
Einar Standal Digernes inventò i minuscoli magneti quadrati utilizzati negli esperimenti.
I minuscoli magneti quadrati, creati dal dottorando della NTNU Einar Standal Digernes, sono larghi appena due micrometri e sono divisi in quattro domini triangolari, ognuno con un diverso orientamento magnetico che punta in senso orario o antiorario attorno ai magneti.
In alcuni materiali magnetici, gruppi più piccoli di atomi si uniscono in aree chiamate domini, in cui tutti gli elettroni hanno lo stesso orientamento magnetico.
Nei magneti NTNU, questi domini si incontrano in un punto centrale, il nucleo del vortice, dove il momento magnetico punta direttamente dentro o fuori dal piano del materiale.
"Quando applichiamo un campo magnetico, sempre più di questi domini punteranno nella stessa direzione", afferma Folven. "Possono crescere, restringersi e poi fondersi l'uno nell'altro".
Elettroni quasi alla velocità della luce
Assistere a questo fenomeno non è facile. I ricercatori hanno portato i loro micromagneti in un sincrotrone a forma di ciambella di 80 metri di diametro, noto come BESSY II, a Berlino, dove gli elettroni vengono accelerati fino a raggiungere una velocità prossima a quella della luce. Questi elettroni in rapido movimento emettono quindi raggi X estremamente luminosi.
"Prendiamo questi raggi X e li utilizziamo come luce nel nostro microscopio", afferma Folven.
Poiché gli elettroni si muovono attorno al sincrotrone in gruppi separati da due nanosecondi, i raggi X che emettono arrivano sotto forma di impulsi precisi.
Un microscopio a raggi X a scansione e trasmissione, o STXM, acquisisce questi raggi X per creare un'istantanea della struttura magnetica del materiale. Unendo queste istantanee, i ricercatori possono essenzialmente creare un filmato che mostra come il micromagnete cambia nel tempo.
Con l'aiuto dell'STXM, Folven e i suoi colleghi hanno disturbato i loro micromagneti con un impulso di corrente che ha generato un campo magnetico e hanno visto i domini cambiare forma e il nucleo del vortice spostarsi dal centro.
"Si usa un magnete molto piccolo, lo si tocca e si cerca di immaginarlo mentre si assesta di nuovo", racconta. In seguito, hanno visto il nucleo tornare al centro, ma seguendo un percorso tortuoso, non una linea retta.
"Tornerà in un certo senso al centro", afferma Folven.
Un errore e il gioco è fatto
Questo perché studiano materiali epitassiali, creati su un substrato che consente ai ricercatori di modificare le proprietà del materiale, ma che bloccherebbe i raggi X in un STXM.
Lavorando presso l'NTNU NanoLab, i ricercatori hanno risolto il problema del substrato seppellendo il loro micromagnete sotto uno strato di carbonio per proteggerne le proprietà magnetiche.
Poi, con cura e precisione, hanno rimosso il substrato sottostante con un fascio concentrato di ioni di gallio, fino a ottenere solo uno strato sottilissimo. Il laborioso processo poteva richiedere otto ore per campione, e un solo errore poteva rivelarsi un disastro.
"La cosa fondamentale è che, se si elimina il magnetismo, non lo sapremo prima di arrivare a Berlino", afferma. "Il trucco, ovviamente, è portare più di un campione".
Dalla fisica fondamentale ai dispositivi del futuro
Fortunatamente ha funzionato e il team ha utilizzato i campioni accuratamente preparati per tracciare il modo in cui i domini del micromagnete crescono e si restringono nel tempo. Hanno anche creato simulazioni al computer per comprendere meglio quali forze fossero in gioco.
Oltre ad ampliare le nostre conoscenze sulla fisica fondamentale, comprendere il funzionamento del magnetismo a queste scale di lunghezza e tempo potrebbe rivelarsi utile per la creazione di dispositivi futuri.
Il magnetismo è già utilizzato per l'archiviazione dei dati, ma i ricercatori stanno attualmente cercando modi per sfruttarlo ulteriormente. Gli orientamenti magnetici del nucleo del vortice e dei domini di un micromagnete, ad esempio, potrebbero forse essere utilizzati per codificare le informazioni sotto forma di 0 e 1.
I ricercatori ora mirano a ripetere questo lavoro con materiali antiferromagnetici, in cui l'effetto netto dei singoli momenti magnetici si annulla. Questi sono promettenti dal punto di vista informatico: in teoria, i materiali antiferromagnetici potrebbero essere utilizzati per realizzare dispositivi che richiedono poca energia e rimangono stabili anche in caso di interruzione di corrente, ma molto più difficili da studiare perché i segnali che producono saranno molto più deboli.
Nonostante questa sfida, Folven è ottimista. "Abbiamo coperto il primo ostacolo dimostrando che possiamo produrre campioni e analizzarli con i raggi X", afferma. "Il prossimo passo sarà verificare se possiamo produrre campioni di qualità sufficientemente elevata da ottenere un segnale sufficiente da un materiale antiferromagnetico".
Data di pubblicazione: 10-05-2021