პაწაწინა მაგნიტების შინაგანი ფუნქციონირების ახალი ხედვა

NTNU-ს მკვლევრები მცირე მასშტაბის მაგნიტურ მასალებს სინათლეს ჰფენენ უკიდურესად კაშკაშა რენტგენის სხივების დახმარებით ფილმების შექმნით.

NTNU-ს ელექტრონული სისტემების დეპარტამენტის ოქსიდის ელექტრონიკის ჯგუფის თადარიგის დირექტორმა, ერიკ ფოლვენმა და მისმა კოლეგებმა NTNU-დან და ბელგიის გენტის უნივერსიტეტიდან გადაწყვიტეს ენახათ, თუ როგორ იცვლება თხელფენოვანი მიკრომაგნიტები გარე მაგნიტური ველის ზემოქმედებისას. ნაშრომი, რომელიც ნაწილობრივ დაფინანსდა NTNU Nano-სა და ნორვეგიის კვლევითი საბჭოს მიერ, გამოქვეყნდა ჟურნალ Physical Review Research-ში.

პაწაწინა მაგნიტები

ეინარ სტანდალ დიგერნესმა გამოიგონა ექსპერიმენტებში გამოყენებული პაწაწინა კვადრატული მაგნიტები.

NTNU-ს დოქტორანტურის კანდიდატის, ეინარ სტანდალ დიგერნესის მიერ შექმნილი პაწაწინა კვადრატული მაგნიტები მხოლოდ ორი მიკრომეტრის სიგანისაა და იყოფა ოთხ სამკუთხა დომენად, რომელთაგან თითოეულს განსხვავებული მაგნიტური ორიენტაცია აქვს, რომელიც მაგნიტების გარშემო საათის ისრის მიმართულებით ან საათის ისრის საწინააღმდეგოდ არის მიმართული.

გარკვეულ მაგნიტურ მასალებში ატომების მცირე ჯგუფები ერთიანდებიან დომენებად წოდებულ არეში, სადაც ყველა ელექტრონს ერთი და იგივე მაგნიტური ორიენტაცია აქვს.

NTNU მაგნიტებში ეს დომენები ცენტრალურ წერტილში - მორევის ბირთვში - ხვდება, სადაც მაგნიტური მომენტი პირდაპირ მასალის სიბრტყის შიგნით ან მის გარეთაა მიმართული.

„როდესაც მაგნიტურ ველს ვიყენებთ, ამ დომენების სულ უფრო მეტი ნაწილი ერთი და იგივე მიმართულებით იქნება მიმართული“, - ამბობს ფოლვენი. „მათ შეუძლიათ გაიზარდონ და შეკუმშონ, შემდეგ კი ერთმანეთში შერწყმა“.

ელექტრონები თითქმის სინათლის სიჩქარით

ამის დანახვა ადვილი არ არის. მკვლევრებმა თავიანთი მიკრომაგნიტები ბერლინში მდებარე 80 მეტრის სიგანის დონატის ფორმის სინქროტრონში, რომელიც ცნობილია როგორც BESSY II, გადაიტანეს, სადაც ელექტრონები აჩქარებენ მანამ, სანამ ისინი თითქმის სინათლის სიჩქარით არ იმოძრავებენ. შემდეგ ეს სწრაფად მოძრავი ელექტრონები უკიდურესად კაშკაშა რენტგენის სხივებს ასხივებენ.

„ჩვენ ვიღებთ ამ რენტგენის სხივებს და ვიყენებთ მათ ჩვენს მიკროსკოპის სინათლედ“, - ამბობს ფოლვენი.

რადგან ელექტრონები სინქროტრონის გარშემო ორი ნანოწამით დაშორებულ გროვად მოძრაობენ, მათ მიერ გამოსხივებული რენტგენის სხივები ზუსტი იმპულსების სახით მოდის.

სკანირების ტრანსმისიული რენტგენის მიკროსკოპი, ანუ STXM, იღებს ამ რენტგენის სხივებს მასალის მაგნიტური სტრუქტურის სურათის შესაქმნელად. ამ სურათების ერთმანეთთან შეერთებით, მკვლევარებს შეუძლიათ შექმნან ფილმი, რომელიც აჩვენებს, თუ როგორ იცვლება მიკრომაგნიტი დროთა განმავლობაში.

STXM-ის დახმარებით, ფოლვენმა და მისმა კოლეგებმა მიკრომაგნიტები დენის იმპულსით შეარყიეს, რამაც მაგნიტური ველი წარმოქმნა და დომენების ფორმის შეცვლა დააკვირდნენ, ხოლო მორევის ბირთვი ცენტრიდან გადაადგილდა.

„თქვენ გაქვთ ძალიან პატარა მაგნიტი, რომელსაც ჩხვლეტთ და ცდილობთ მისი ხელახლა დალექვისას გამოსახულების მიღებას“, - ამბობს ის. ამის შემდეგ, მათ დაინახეს, როგორ დაბრუნდა ბირთვი შუაში — მაგრამ დაკლაკნილი ბილიკით და არა სწორი ხაზით.

„ის ერთგვარად ცენტრისკენ ცეკვავს“, - ამბობს ფოლვენი.

ერთი ცდა და დამთავრდა

ეს იმიტომ ხდება, რომ ისინი იკვლევენ ეპიტაქსიურ მასალებს, რომლებიც იქმნება სუბსტრატის თავზე, რაც მკვლევრებს საშუალებას აძლევს, შეცვალონ მასალის თვისებები, მაგრამ STXM-ში რენტგენის სხივებს დაბლოკავს.

NTNU NanoLab-ში მუშაობით, მკვლევრებმა სუბსტრატის პრობლემა გადაჭრეს მიკრომაგნიტის ნახშირბადის ფენის ქვეშ დამარხვით, რათა დაეცვათ მისი მაგნიტური თვისებები.

შემდეგ მათ გალიუმის იონების ფოკუსირებული სხივით ფრთხილად და ზუსტად მოაშორეს ქვეშ არსებული სუბსტრატი მანამ, სანამ მხოლოდ ძალიან თხელი ფენა არ დარჩებოდა. ამ შრომატევად პროცესს შეიძლება რვა საათი დასჭირდეს თითოეული ნიმუშისთვის და ერთი შეცდომაც კი შეიძლება კატასტროფის მიზეზი გახდეს.

„მთავარი ის არის, რომ თუ მაგნეტიზმს მოვკლავთ, ამას ბერლინში ჩასვლამდე ვერ გავიგებთ“, - ამბობს ის. „რა თქმა უნდა, ხრიკი ერთზე მეტი ნიმუშის მოტანაა“.

ფუნდამენტური ფიზიკიდან მომავლის მოწყობილობებამდე

საბედნიეროდ, ეს გაამართლა და გუნდმა გამოიყენა ფრთხილად მომზადებული ნიმუშები იმის სანახავად, თუ როგორ იზრდება და იკუმშება მიკრომაგნიტის დომენები დროთა განმავლობაში. მათ ასევე შექმნეს კომპიუტერული სიმულაციები, რათა უკეთ გაეგოთ, თუ რა ძალები მოქმედებდნენ.

ფუნდამენტური ფიზიკის შესახებ ჩვენი ცოდნის გაღრმავებასთან ერთად, იმის გაგება, თუ როგორ მოქმედებს მაგნეტიზმი ამ სიგრძისა და დროის მასშტაბებზე, შეიძლება სასარგებლო იყოს მომავლის მოწყობილობების შესაქმნელად.

მაგნეტიზმი უკვე გამოიყენება მონაცემთა შესანახად, მაგრამ მკვლევრები ამჟამად ეძებენ გზებს მისი შემდგომი გამოყენებისთვის. მაგალითად, მიკრომაგნიტის მორევის ბირთვისა და დომენების მაგნიტური ორიენტაციები შესაძლოა გამოყენებულ იქნას ინფორმაციის 0-ებისა და 1-ების სახით კოდირებისთვის.

მკვლევარები ახლა ამ ნაშრომის გამეორებას ანტიფერომაგნიტური მასალებით ცდილობენ, სადაც ინდივიდუალური მაგნიტური მომენტების ჯამური ეფექტი აბათილებს. ეს პერსპექტიულია გამოთვლების თვალსაზრისით - თეორიულად, ანტიფერომაგნიტური მასალების გამოყენება შესაძლებელია ისეთი მოწყობილობების შესაქმნელად, რომლებიც მცირე ენერგიას მოითხოვენ და სტაბილურობას ინარჩუნებენ ელექტროენერგიის გათიშვის დროსაც კი - თუმცა მათი შესწავლა გაცილებით რთულია, რადგან მათ მიერ წარმოქმნილი სიგნალები გაცილებით სუსტი იქნება.

ამ გამოწვევის მიუხედავად, ფოლვენი ოპტიმისტურად არის განწყობილი. „ჩვენ პირველი ეტაპი გავიარეთ იმის ჩვენებით, რომ შეგვიძლია ნიმუშების დამზადება და მათი რენტგენის სხივებით დათვალიერება“, - ამბობს ის. „შემდეგი ნაბიჯი იქნება იმის გარკვევა, შეგვიძლია თუ არა საკმარისად მაღალი ხარისხის ნიმუშების დამზადება ანტიფერომაგნიტური მასალიდან საკმარისი სიგნალის მისაღებად“.