NTNU の研究者たちは、非常に明るい X 線を利用して動画を作成し、小規模の磁性材料に光を当てています。
NTNU電子システム学科酸化物エレクトロニクスグループの共同ディレクターであるエリック・フォルヴェン氏と、NTNUおよびベルギーのゲント大学の同僚たちは、薄膜マイクロ磁石が外部磁場の影響を受けたときにどのように変化するかを調べることに着手しました。この研究は、NTNUナノとノルウェー研究評議会の資金提供の一部を受け、Physical Review Research誌に掲載されました。
小さな磁石
アイナー・スタンダル・ディゲルネスは、実験に使用された小さな四角い磁石を発明しました。
NTNU 博士課程のアイナー・スタンダル・ディゲルネス氏が作成したこの小さな正方形の磁石は、幅がわずか 2 マイクロメートルで、4 つの三角形の領域に分割されており、それぞれの磁気方向は磁石の周囲を時計回りまたは反時計回りに向いています。
特定の磁性材料では、小さな原子のグループが集まってドメインと呼ばれる領域を形成し、その領域内のすべての電子が同じ磁気的方向を持ちます。
NTNU 磁石では、これらのドメインは中心点 (渦芯) で出会い、磁気モーメントは材料の平面の内側または外側を直接指します。
「磁場をかけると、これらのドメインはますます同じ方向を向きます」とフォルベン氏は言う。「ドメインは拡大したり縮小したりし、最終的には互いに融合することもあります。」
ほぼ光速の電子
これが起こるのを見るのは容易ではありません。研究者たちは、ベルリンにある幅80メートルのドーナツ型シンクロトロン「BESSY II」にマイクロマグネットを持ち込みました。そこでは、電子がほぼ光速になるまで加速されます。そして、高速で移動する電子は非常に明るいX線を放出します。
「私たちはこれらのX線を顕微鏡の光として使います」とフォルベン氏は言う。
電子は2ナノ秒間隔で束になってシンクロトロン内を移動するため、放出されるX線は正確なパルス状になります。
走査透過型X線顕微鏡（STXM）は、これらのX線を捉えて物質の磁気構造のスナップショットを作成します。これらのスナップショットをつなぎ合わせることで、研究者たちは実質的に、マイクロ磁石が時間とともにどのように変化するかを示す動画を作成することができます。
フォルベン氏と彼の同僚は、STXM の力を借りて、磁場を発生させる電流パルスでマイクロ磁石を乱し、ドメインの形状が変化し、渦の核が中心から移動するのを観察しました。
「とても小さな磁石を使って、それを突いて、再び落ち着く様子をイメージしてみてください」と彼は言う。その後、彼らはコアが中心に戻るのを目撃したが、直線ではなく、曲がりくねった軌跡を描いていた。
「中心に向かって踊るように戻ってくるでしょう」とフォルベン氏は言う。
一度でもミスをしたら終わり
彼らが研究しているのはエピタキシャル材料であり、この材料は研究者が材料の特性を微調整できる基板の上に作られるが、STXM では X 線を遮断してしまう。
NTNU ナノラボで研究する研究者たちは、磁気特性を保護するためにマイクロ磁石を炭素層の下に埋め込むことで基板の問題を解決しました。
次に、ガリウムイオンの集束ビームを用いて、その下の基板を慎重かつ精密に削り取り、非常に薄い層だけを残しました。この骨の折れる作業はサンプル1つにつき8時間かかることもあり、1つのミスが大きな災いを招きかねません。
「重要なのは、磁気を消してしまうと、ベルリンに到着するまでそのことが分からないということです」と彼は言う。「もちろん、複数のサンプルを持ってくることが鍵です。」
基礎物理学から未来のデバイスまで
幸いなことに、この実験は成功し、研究チームは慎重に準備したサンプルを用いて、マイクロ磁石の磁区が時間の経過とともにどのように拡大・縮小するかを観測しました。また、どのような力が働いているのかをより深く理解するために、コンピューターシミュレーションも作成しました。
基礎物理学の知識が進歩するだけでなく、このような長さと時間のスケールで磁気がどのように機能するかを理解することは、将来のデバイスの作成に役立つ可能性があります。
磁気は既にデータストレージに利用されていますが、研究者たちは現在、それをさらに活用する方法を模索しています。例えば、マイクロ磁石の渦核や磁区の磁気配向を利用して、0と1の形式で情報をエンコードできる可能性があります。
研究者たちは現在、個々の磁気モーメントの正味効果が打ち消される反強磁性材料を用いてこの研究を再現することを目指している。反強磁性材料はコンピューティングにおいて有望な材料であり、理論的には、反強磁性材料を用いることで、電力消費が少なく、電源が失われても安定した状態を維持するデバイスを作製できる可能性がある。しかし、反強磁性材料が生成する信号がはるかに弱いため、調査ははるかに困難である。
こうした困難にもかかわらず、フォルヴェン氏は楽観的だ。「サンプルを作製し、X線で透過できることを実証することで、まずは基礎を固めました」と彼は言う。「次のステップは、反強磁性体から十分な信号を得るのに十分な品質のサンプルを作製できるかどうかを確認することです。」
投稿日時: 2021年5月10日