I ricercatori di NTNU stanno facendo luce su materiali magnetici su piccola scale creando film con l'aiuto di alcuni raggi X estremamente luminosi.
Erik Folven, co-direttore del gruppo di elettronica di ossido presso il Dipartimento dei sistemi elettronici di NTNU, e colleghi della NTNU e della Gand in Belgio, hanno deciso di vedere come i micromagneti a film sottile cambiano se disturbato da un campo magnetico esterno. L'opera, parzialmente finanziata da NTNU Nano e dal Consiglio di ricerca della Norvegia, è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Research.
Piccoli magneti
Einar Standal Digernes ha inventato i piccoli magneti quadrati utilizzati negli esperimenti.
I piccoli magneti quadrati, creati da NTNU Ph.D. Il candidato Einar Standal Digernes, sono larghi solo due micrometri e divisi in quattro domini triangolari, ciascuno con un diverso orientamento magnetico che punta in senso orario o in senso antiorario attorno ai magneti.
In alcuni materiali magnetici, piccoli gruppi 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 indicheranno nella stessa direzione", afferma Folven. "Possono crescere e possono ridursi, e quindi possono fondersi l'uno nell'altro."
Elettroni quasi alla velocità della luce
Vedere questo accadere non è facile. I ricercatori hanno portato i loro micromagneti a un sincrotrone a forma di ciambella larga 80 m, noto come Bessy II, a Berlino, dove gli elettroni sono accelerati fino a quando non viaggiano quasi alla velocità della luce. Quegli elettroni in rapido movimento emettono quindi raggi X estremamente luminosi.
"Prendiamo questi raggi X e li usiamo come luce sul nostro microscopio", afferma Folven.
Poiché gli elettroni viaggiano attorno al sincrotrone in mazzi separati da due nanosecondi, i raggi X che emettono sono disponibili in impulsi precisi.
Un microscopio a raggi X di trasmissione a scansione o STXM prende quei raggi X per creare un'istantanea della struttura magnetica del materiale. Piccando queste istantanee insieme, i ricercatori possono essenzialmente creare un film che mostra come il micromagnet cambia nel tempo.
Con l'aiuto di 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 si spostava dal centro.
"Hai un magnete molto piccolo, e poi lo colpisci e provi a immaginarlo mentre si deposita di nuovo", dice. Successivamente, hanno visto il nucleo tornare al centro, ma lungo un percorso tortuoso, non una linea retta.
"Dernicherà al centro", afferma Folven.
Uno scivolamento ed è finita
Questo perché studiano materiali epitassiali, che vengono creati su un substrato che consente ai ricercatori di modificare le proprietà del materiale, ma bloccare i raggi X in STXM.
Lavorando in NTNU Nanolab, i ricercatori hanno risolto il problema del substrato seppellindo il loro micromagnete sotto uno strato di carbonio per proteggere le sue proprietà magnetiche.
Quindi hanno tagliato con cura e con precisione il substrato sotto con un raggio focalizzato di ioni di gallio fino a quando non è rimasto solo uno strato molto sottile. Il processo scrupoloso potrebbe richiedere otto ore per campione e uno slittamento potrebbe scrivere un disastro.
"La cosa critica è che, se uccidi il magnetismo, non lo sapremo prima di sederci a Berlino", dice. "Il trucco è, ovviamente, portare più di un campione."
Dalla fisica fondamentale ai dispositivi futuri
Per fortuna ha funzionato e il team ha utilizzato i loro campioni attentamente preparati per tracciare come crescono e si restringono i domini del micromagnet nel tempo. Hanno anche creato simulazioni di computer per comprendere meglio quali forze erano al lavoro.
Oltre a far avanzare la nostra conoscenza della fisica fondamentale, capire come funziona il magnetismo a queste scale di lunghezza e tempo potrebbe essere utile per creare dispositivi futuri.
Il magnetismo è già utilizzato per l'archiviazione dei dati, ma i ricercatori sono attualmente alla ricerca di modi per sfruttarlo ulteriormente. Gli orientamenti magnetici del nucleo del vortice e i domini di un micromagnet, ad esempio, potrebbero forse essere usati per codificare le informazioni sotto forma di 0s e 1.
I ricercatori stanno ora puntando a ripetere questo lavoro con materiali anti-ferromagnetici, in cui l'effetto netto dei singoli momenti magnetici cancella. Questi sono promettenti quando si tratta di calcolo-in teoria, i materiali anti-ferromagnetici potrebbero essere usati per rendere dispositivi che richiedono poca energia e rimangono stabili anche quando il potere è perso-ma molto più complicato da indagare perché i segnali che producono saranno molto più deboli.
Nonostante questa sfida, Folven è ottimista. "Abbiamo coperto il primo terreno mostrando che possiamo fare campioni e guardarli con i raggi X", afferma. "Il prossimo passo sarà vedere se possiamo creare campioni di qualità sufficientemente elevata per ottenere abbastanza segnale da un materiale anti-ferromagnetico."
Tempo post: maggio-10-2021