דרך חדשה להסתכל על פעולתם הפנימית של מגנטים זעירים

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

אריק פולבן, מנהל שותף של קבוצת האלקטרוניקה תחמוצת במחלקה למערכות אלקטרוניות של NTNU, ועמיתיו מ-NTNU ואוניברסיטת גנט בבלגיה יצאו לראות כיצד מיקרומגנטים של סרט דק משתנים כאשר מפריעים להם שדה מגנטי חיצוני.העבודה, במימון חלקי על ידי NTNU Nano ומועצת המחקר של נורבגיה, פורסמה בכתב העת Physical Review Research.

מגנטים זעירים

Einar Standal Digernes המציא את המגנטים המרובעים הזעירים ששימשו בניסויים.

המגנטים המרובעים הזעירים, שנוצרו על ידי NTNU Ph.D.המועמד Einar Standal Digernes, הם ברוחב של שני מיקרומטר בלבד ומפוצלים לארבעה תחומים משולשים, כל אחד עם כיוון מגנטי שונה המצביע עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון סביב המגנטים.

בחומרים מגנטיים מסוימים, קבוצות קטנות יותר של אטומים מתחברות יחד לאזורים הנקראים תחומים, שבהם לכל האלקטרונים יש אותה כיוון מגנטי.

במגנטים של NTNU, התחומים הללו נפגשים בנקודה מרכזית - ליבת המערבולת - שבה המומנט המגנטי מצביע ישירות פנימה או מחוץ למישור החומר.

"כשאנחנו מפעילים שדה מגנטי, יותר ויותר מהתחומים האלה יצביעו לאותו כיוון", אומר פולבן."הם יכולים לגדול והם יכולים להתכווץ, ואז הם יכולים להתמזג אחד בשני."

אלקטרונים כמעט במהירות האור

זה לא קל לראות את זה קורה.החוקרים לקחו את המיקרומגנטים שלהם לסינכרוטרון בצורת סופגניה ברוחב 80 מטר, המכונה BESSY II, בברלין, שם מואצים האלקטרונים עד שהם נעים כמעט במהירות האור.אותם אלקטרונים הנעים במהירות פולטים קרני רנטגן בהירות במיוחד.

"אנחנו לוקחים את צילומי הרנטגן האלה ומשתמשים בהם בתור האור במיקרוסקופ שלנו", אומר פולבן.

מכיוון שהאלקטרונים נעים מסביב לסינכרוטרון בצרורות המופרדות בשתי ננו-שניות, קרני הרנטגן שהם פולטים מגיעות בפולסים מדויקים.

מיקרוסקופ רנטגן שידור סורק, או STXM, לוקח את קרני הרנטגן הללו כדי ליצור תמונת מצב של המבנה המגנטי של החומר.על ידי תפירת התמונות הללו, החוקרים יכולים למעשה ליצור סרט המראה כיצד המיקרומגנט משתנה לאורך זמן.

בעזרת ה-STXM, פולבן ועמיתיו הפריעו למיקרומגנטים שלהם עם דופק של זרם שיצר שדה מגנטי, וראו את התחומים משנים צורה ואת ליבת המערבולת זזה 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 - אבל לאורך שביל מפותל, לא בקו ישר.

"זה די ירקוד בחזרה למרכז", אומר פולבן.

החלקה אחת וזה נגמר

הסיבה לכך היא שהם חוקרים חומרים אפיטקסיאליים, שנוצרים על גבי מצע המאפשר לחוקרים לכוונן את תכונות החומר, אך יחסמו את קרני הרנטגן ב-STXM.

בעבודה ב-NTNU NanoLab, החוקרים פתרו את בעיית המצע על ידי הטמנת המיקרומגנט שלהם מתחת לשכבת פחמן כדי להגן על התכונות המגנטיות שלו.

אחר כך הם חתכו בזהירות ובדייקנות את המצע שמתחתיו בעזרת קרן ממוקדת של יוני גליום עד שנותרה רק שכבה דקה מאוד.התהליך הקפדני יכול להימשך שמונה שעות לכל דגימה - והחלקה אחת עלולה לחולל אסון.

"הדבר הקריטי הוא שאם תהרוג את המגנטיות, לא נדע זאת לפני שנשב בברלין", הוא אומר."החוכמה היא, כמובן, להביא יותר ממדגם אחד."

מפיזיקה בסיסית למכשירים עתידיים

למרבה המזל זה עבד, והצוות השתמש בדגימות שהוכנו בקפידה כדי לתאר כיצד התחומים של המיקרומגנט גדלים ומתכווצים עם הזמן.הם גם יצרו הדמיות ממוחשבות כדי להבין טוב יותר אילו כוחות פועלים.

בנוסף לקידום הידע שלנו בפיזיקה בסיסית, הבנה כיצד מגנטיות פועלת בקנה מידה של אורך וזמנים אלה יכולה להיות מועילה ביצירת מכשירים עתידיים.

מגנטיות כבר משמשת לאחסון נתונים, אבל חוקרים מחפשים כעת דרכים לנצל אותו עוד יותר.הכיוונים המגנטיים של ליבת המערבולת והתחומים של מיקרומגנט, למשל, יכולים לשמש אולי כדי לקודד מידע בצורה של 0 ו-1.

החוקרים שואפים כעת לחזור על עבודה זו עם חומרים אנטי-פרומגנטיים, כאשר ההשפעה נטו של המומנטים המגנטיים הבודדים מתבטלת.אלה מבטיחים בכל הנוגע למחשוב - בתיאוריה, חומרים אנטי-פרומגנטיים יכולים לשמש לייצור מכשירים שדורשים מעט אנרגיה ונשארים יציבים גם כאשר הכוח אובד - אבל הרבה יותר מסובך לחקור כי האותות שהם מייצרים יהיו הרבה יותר חלשים .

למרות האתגר הזה, פולבן אופטימית."כיסינו את הקרקע הראשונה בכך שהראינו שאנחנו יכולים לעשות דגימות ולהסתכל דרכן בקרני רנטגן", הוא אומר."השלב הבא יהיה לראות אם אנחנו יכולים לעשות דגימות באיכות גבוהה מספיק כדי לקבל מספיק אות מחומר אנטי פרומגנטי."