דרך חדשה להסתכל על פעולותיהם הפנימיות של מגנטים זעירים

חוקרים מ- NTNU שופכים אור על חומרים מגנטיים בקנה מידה קטן על ידי יצירת סרטים בעזרת כמה צילומי רנטגן בהירים במיוחד.

אריק פולבן, מנהל משותף של קבוצת האלקטרוניקה של תחמוצת במחלקה למערכות אלקטרוניות של NTNU, ועמיתיו מאוניברסיטת NTNU ואוניברסיטת גנט בבלגיה התכוונו לראות עד כמה מיקרומגנטים של סרט דק משתנים כאשר הם מופרעים מתחום מגנטי חיצוני. העבודה, הממומנת בחלקה על ידי NTNU NANO ומועצת המחקר של נורבגיה, פורסמה בכתב העת Journal Physical Review Research.

מגנטים זעירים

Digernes עצמאות של איינר המציא את המגנטים הריבועיים הזעירים המשמשים בניסויים.

המגנטים הריבועיים הזעירים, שנוצרו על ידי NTNU Ph.D. Digernes עצמאיים של המועמד, הם רק שני מיקרומטר ברוחב ומפוצלים לארבעה תחומים משולשים, שכל אחד מהם עם אוריינטציה מגנטית שונה מכוונת בכיוון השעון או נגד כיוון השעון סביב המגנטים.

בחומרים מגנטיים מסוימים, קבוצות קטנות יותר של אטומים פועלות יחד לאזורים הנקראים דומיינים, בהם לכל האלקטרונים יש אותה אוריינטציה מגנטית.

במגנטים של NTNU, תחומים אלה נפגשים בנקודה מרכזית - ליבת המערבולת - שם הרגע המגנטי מצביע ישירות במישור החומר או מחוץ לו.

"כשאנחנו מיישמים שדה מגנטי, יותר ויותר מהתחומים האלה יצביעו באותו כיוון", אומר פולבן. "הם יכולים לצמוח והם יכולים להתכווץ ואז הם יכולים להתמזג זה לזה."

אלקטרונים כמעט במהירות האור

לראות את זה קורה זה לא קל. החוקרים לקחו את המיקרומגנטים שלהם לסינכרוטרון בצורת סופגניות ברוחב 80 מ ', המכונה בסי II, בברלין, שם מואצים אלקטרונים עד שהם נוסעים כמעט במהירות האור. האלקטרונים המהירים המהירים הללו פולטים אז צילומי רנטגן בהירים במיוחד.

"אנו לוקחים את צילומי הרנטגן האלה ומשתמשים בהם כאור במיקרוסקופ שלנו", אומר פולבן.

מכיוון שאלקטרונים מסתובבים סביב הסינכרוטרון בחבילות המופרדות על ידי שני ננו-שניות, צילומי הרנטגן שהם פולטים מגיעים בפולסים מדויקים.

מיקרוסקופ רנטגן של הילוכים סריקה, או STXM, לוקח את צילומי הרנטגן הללו כדי ליצור תמונת מצב של המבנה המגנטי של החומר. על ידי תפירת תמונות אלה יחד, החוקרים יכולים למעשה ליצור סרט המראה כיצד המיקרו -סגנט משתנה לאורך זמן.

בעזרת ה- STXM, פולבן ועמיתיו הפריעו למיקרומגנטים שלהם עם דופק זרם שיצר שדה מגנטי, וראו את התחומים משתנים את צורתם ואת ליבת המערבולת עוברת מהמרכז.

"יש לך מגנט קטן מאוד ואז אתה תוקע אותו ומנסה לדמיין אותו כשהוא מתיישב שוב," הוא אומר. לאחר מכן הם ראו את הליבה חוזרת לאמצע - אך לאורך שביל מפותל ולא קו ישר.

"זה יחזור לרקוד למרכז", אומר פולבן.

החלקה אחת וזה נגמר

הסיבה לכך היא שהם לומדים חומרים אפיטקסיאליים, שנוצרו על גבי מצע המאפשר לחוקרים לצבוט את תכונות החומר, אך היו חוסמים את צילומי הרנטגן ב- STXM.

החוקרים עובדים ב- NTNU Nanolab, פתרו את בעיית המצע על ידי קבורת המיקרו -סגנט שלהם תחת שכבה של פחמן כדי להגן על תכונותיו המגנטיות.

ואז הם סדקו בזהירות ומדויק את המצע שמתחת עם קרן ממוקדת של יוני גליום עד שנותרו רק שכבה דקה מאוד. התהליך הקפדני יכול לארוך שמונה שעות לכל מדגם - והחלקה אחת עלולה לאיית אסון.

"הדבר הביקורתי הוא שאם אתה הורג את המגנטיות, לא נדע את זה לפני שנשב בברלין," הוא אומר. "הטריק הוא כמובן להביא יותר מדגם אחד."

מפיזיקה בסיסית למכשירים עתידיים

למרבה המזל זה עבד, והצוות השתמש בדגימות שהוכנו בקפידה כדי לתאר את האופן בו התחומים של המיקרומגנט צומחים ומתכווצים לאורך זמן. הם גם יצרו הדמיות מחשב כדי להבין טוב יותר מה הכוחות בעבודה.

בנוסף לקידום הידע שלנו בפיזיקה בסיסית, הבנת האופן בו מגנטיות פועלת באורך וזמן אלה יכולה להועיל ביצירת מכשירים עתידיים.

מגנטיות משמשת כבר לאחסון נתונים, אך החוקרים מחפשים כיום דרכים לנצל אותה עוד יותר. ניתן אולי להשתמש בכיוונים המגנטיים של ליבת המערבולת ותחומים של מיקרומגנט, למשל, לקידוד מידע בצורה של 0s ו- 1s.

החוקרים שואפים כעת לחזור על עבודה זו עם חומרים אנטי-פרומגנטיים, כאשר ההשפעה נטו של הרגעים המגנטיים האישיים מבטלת החוצה. אלה מבטיחים כשמדובר במחשוב-בתיאוריה, ניתן להשתמש בחומרים אנטי-פרומגנטיים לייצור מכשירים הדורשים אנרגיה מועטה ונשארים יציבים גם כאשר הכוח אבוד-אך הרבה יותר מסובך לחקור מכיוון שהאותות שהם מייצרים יהיו חלשים בהרבה.

למרות האתגר הזה, Folven הוא אופטימי. "כיסינו את הקרקע הראשונה על ידי הצגתנו שאנחנו יכולים ליצור דוגמאות ולהסתכל דרכם עם צילומי רנטגן," הוא אומר. "השלב הבא יהיה לראות אם נוכל ליצור דוגמאות באיכות גבוהה מספיק כדי להשיג מספיק אות מחומר אנטי-פרומגנטי."