I ricercatori della NTNU stanno facendo luce sui materiali magnetici su piccola scala creando filmati con l'aiuto di raggi X estremamente luminosi.
Erik Folven, co-direttore del gruppo di elettronica dell'ossido presso il Dipartimento di sistemi elettronici della NTNU, e colleghi della NTNU e dell'Università di Ghent in Belgio hanno iniziato a vedere come cambiano i micromagneti a film sottile quando disturbati da un campo magnetico esterno.Il lavoro, parzialmente finanziato da NTNU Nano e dal Consiglio di ricerca norvegese, è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Research.
Piccoli magneti
Einar Standal Digernes ha inventato i minuscoli magneti quadrati utilizzati negli esperimenti.
I minuscoli magneti quadrati, creati dal Ph.D. NTNU.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 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 e possono ridursi, e poi possono fondersi l'uno nell'altro."
Elettroni quasi alla velocità della luce
Vederlo accadere non è facile.I ricercatori hanno portato i loro micromagneti su un sincrotrone a forma di ciambella largo 80 metri, noto come BESSY II, a Berlino, dove gli elettroni vengono accelerati fino a viaggiare 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 nel nostro microscopio", afferma Folven.
Poiché gli elettroni viaggiano attorno al sincrotrone in gruppi separati da due nanosecondi, i raggi X che emettono arrivano con impulsi precisi.
Un microscopio a raggi X a trasmissione di scansione, o STXM, cattura questi raggi X per creare un'istantanea della struttura magnetica del materiale.Unendo insieme 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.
"Hai un magnete molto piccolo, quindi lo colpisci e provi a immaginarlo mentre si deposita di nuovo", dice.Successivamente, hanno visto il nucleo ritornare al centro, ma lungo un percorso tortuoso, non una linea retta.
“In un certo senso danzerà verso il centro”, dice Folven.
Uno scivolone ed è finita
Questo perché studiano i materiali epitassiali, che vengono creati sopra un substrato che consente ai ricercatori di modificare le proprietà del materiale, ma bloccherebbe i raggi X in un STXM.
Lavorando al NTNU NanoLab, i ricercatori hanno risolto il problema del substrato seppellendo il micromagnete sotto uno strato di carbonio per proteggerne le proprietà magnetiche.
Poi hanno scheggiato con attenzione e precisione il substrato sottostante con un fascio focalizzato di ioni di gallio fino a quando è rimasto solo uno strato molto sottile.Il meticoloso processo potrebbe richiedere otto ore per campione e un errore potrebbe significare un disastro.
"La cosa fondamentale è che, se si uccide 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 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 a far avanzare la nostra conoscenza della fisica fondamentale, comprendere come funziona il magnetismo su 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 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 informazioni sotto forma di 0 e 1.
I ricercatori mirano ora a ripetere questo lavoro con materiali antiferromagnetici, dove l’effetto netto dei singoli momenti magnetici si annulla.Questi sono promettenti quando si tratta di informatica – in teoria, i materiali antiferromagnetici potrebbero essere usati per realizzare dispositivi che richiedono poca energia e rimangono stabili anche in caso di perdita di energia – ma molto più complicati da studiare perché i segnali che producono saranno molto più deboli .
Nonostante questa sfida, Folven è ottimista."Abbiamo fatto il primo passo dimostrando che possiamo creare campioni ed esaminarli con i raggi X", afferma.“Il prossimo passo sarà vedere se possiamo realizzare campioni di qualità sufficientemente elevata per ottenere un segnale sufficiente da un materiale antiferromagnetico”.
Orario di pubblicazione: 10 maggio 2021