NTNU の研究者たちは、非常に明るい X 線を利用してムービーを作成することで、小規模な磁性材料に光を当てています。
NTNU 電子システム学部の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・フォルベン氏と、NTNU およびベルギーのゲント大学の同僚は、薄膜マイクロ磁石が外部磁場によって妨害されたときにどのように変化するかを観察することに着手しました。この研究はNTNU Nanoとノルウェー研究評議会から部分的に資金提供を受け、ジャーナルPhysical Review Researchに掲載された。
小さな磁石
アイナー・スタンダル・ディゲルネスは、実験に使用される小さな正方形の磁石を発明しました。
NTNU 博士によって作成された小さな四角い磁石。アイナー・スタンダル・ディゲルヌ候補は、幅がわずか2マイクロメートルで、4つの三角形のドメインに分かれており、それぞれが磁石の周囲で時計回りまたは反時計回りに異なる磁気の向きを持っています。
特定の磁性材料では、原子の小さなグループがドメインと呼ばれる領域に束ねられ、その領域ではすべての電子が同じ磁気方向を持ちます。
NTNU 磁石では、これらの磁区は中心点 (渦コア) で会合し、磁気モーメントは材料の面内または外を直接指します。
「磁場を加えると、これらのドメインが同じ方向を向くようになります」とフォルベン氏は言います。「それらは成長することもあれば縮小することもあり、そして互いに融合することもできます。」
電子はほぼ光の速度で
これが起こるのを見るのは簡単ではありません。研究者らは、ベルリンにあるBESSY IIとして知られる幅80メートルのドーナツ型シンクロトロンにマイクロ磁石を持ち込み、そこで電子はほぼ光速で移動するまで加速された。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 線を撮影し、顕微鏡の光として使用します」とフォルベン氏は言います。
電子は 2 ナノ秒間隔で束になってシンクロトロンの周りを移動するため、電子が放出する X 線は正確なパルスになります。
走査透過型 X 線顕微鏡 (STXM) は、これらの X 線を取得して、材料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、研究者は基本的に、マイクロ磁石が時間の経過とともにどのように変化するかを示すムービーを作成することができます。
STXM の助けを借りて、フォルベンと彼の同僚は、磁場を生成す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、渦コアが中心から移動するのを観察しました。
「非常に小さな磁石を持っていて、それを突いて、それが再び落ち着く様子をイメージしてみます」と彼は言います。その後、コアが中央に戻るのが見えましたが、直線ではなく曲がりくねった道に沿っていました。
「踊って中央に戻るような感じです」とフォルヴェンは言う。
1回滑ったら終わり
これは、研究者がエピタキシャル材料を研究しているためです。エピタキシャル材料は、研究者が材料の特性を微調整できるようにする基板の上に作成されますが、STXM では X 線を遮断してしまいます。
NTNU NanoLabで研究者らは、マイクロ磁石をカーボン層の下に埋めて磁気特性を保護することで、基板の問題を解決した。
次に、ガリウムイオンの集束ビームを使用して、非常に薄い層だけが残るまで、その下の基板を慎重かつ正確に削り取りました。この骨の折れるプロセスにはサンプルごとに 8 時間かかる場合があり、一歩間違えば大惨事を招く可能性があります。
「重要なことは、磁力を消してしまえば、ベルリンに着くまではそれが分からないということです」と彼は言う。「もちろん、コツは複数のサンプルを持ってくることです。」
基礎物理学から将来のデバイスまで
ありがたいことにそれはうまくいき、チームは慎重に準備したサンプルを使用して、マイクロマグネットのドメインが時間の経過とともにどのように拡大および縮小するかをグラフ化しました。彼らはまた、どのような力が働いているかをよりよく理解するためにコンピューターシミュレーションを作成しました。
基礎物理学の知識を進めるだけでなく、このような長さと時間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。
磁気はすでにデータの保存に使用されていますが、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。たとえば、渦のコアとマイクロ磁石の磁区の磁気の向きを使用して、情報を 0 と 1 の形式でエンコードできる可能性があります。
研究者らは現在、個々の磁気モーメントの正味の効果が相殺される反強磁性材料を用いてこの研究を繰り返すことを目指している。これらはコンピューティングの分野では有望です。理論的には、反強磁性材料を使用すれば、エネルギーをほとんど必要とせず、電力が失われた場合でも安定したデバイスを作成できます。しかし、反強磁性材料が生成する信号ははるかに弱いため、調査するのは非常に困難です。 。
そのような困難にもかかわらず、フォルヴェン氏は楽観的です。「私たちはサンプルを作成し、それを X 線で観察できることを示して、最初の基礎をカバーしました」と彼は言います。「次のステップは、反強磁性材料から十分な信号を得るのに十分な高品質のサンプルを作成できるかどうかを確認することです。」
投稿時間: 2021 年 5 月 10 日