პატარა მაგნიტების შიდა მუშაობის დათვალიერების ახალი გზა

NTNU- ს მკვლევარებმა მცირე მასშტაბებით ანათებენ მაგნიტურ მასალებს მცირე მასშტაბებით, ფილმების შექმნით, ძალიან ნათელი რენტგენის სხივების დახმარებით.

NTNU ელექტრონული სისტემების დეპარტამენტის ოქსიდის ელექტრონიკის ჯგუფის თანა-დირექტორი და ბელგიის NTNU და Ghent University- ის კოლეგები დაინახავენ, თუ როგორ იცვლება თხელი ფილმის მიკრომაგნეტები, როდესაც მას გარედან მაგნიტური ველი აწუხებს. ნაშრომი, რომელიც ნაწილობრივ დააფინანსა NTNU NANO და ნორვეგიის სამეცნიერო საბჭოს მიერ, გამოქვეყნდა ჟურნალში Physical Review Research.

პატარა მაგნიტები

Einar- ის დამოუკიდებელმა დინებმა გამოიგონეს ექსპერიმენტებში გამოყენებული პატარა კვადრატული მაგნიტები.

პატარა კვადრატული მაგნიტები, შექმნილია NTNU Ph.D. კანდიდატი Einar Standal Dinernes, მხოლოდ ორი მიკრომეტრია ფართო და იყოფა ოთხ სამკუთხა დომენში, თითოეულს აქვს სხვადასხვა მაგნიტური ორიენტაცია, რომელიც მიუთითებს საათის ისრის მიმართულებით ან საწინააღმდეგო საათის ისრის გარშემო მაგნიტების გარშემო.

გარკვეულ მაგნიტურ მასალებში, ატომების მცირე ჯგუფები ერთმანეთს ერთმანეთთან უწოდებენ დომენებს, რომლებშიც ყველა ელექტრონს აქვს იგივე მაგნიტური ორიენტაცია.

NTNU მაგნიტებში, ეს დომენები ხვდებიან ცენტრალურ წერტილში - Vortex ბირთვი - სადაც მაგნიტური მომენტი მიუთითებს მასალის სიბრტყეში ან მის გარეთ.

”როდესაც ჩვენ მაგნიტურ ველს ვიყენებთ, ამ დომენების სულ უფრო და უფრო მეტი მიუთითებს იმავე მიმართულებით”, - ამბობს ფოლენი. ”მათ შეუძლიათ გაიზარდონ და მათ შეუძლიათ შემცირდნენ, შემდეგ კი მათ შეუძლიათ ერთმანეთთან შერწყმა.”

ელექტრონები თითქმის სინათლის სიჩქარით

ამის დანახვა ადვილი არ არის. მკვლევარებმა თავიანთი მიკრომაგნეტები მიიღეს 80 მ სიგანის დონატის ფორმის სინქროტრონზე, რომელიც ცნობილია როგორც Bessy II, ბერლინში, სადაც ელექტრონები დაჩქარდება, სანამ ისინი მოგზაურობენ თითქმის სინათლის სიჩქარით. ეს სწრაფი მოძრაობის ელექტრონები შემდეგ ასხივებენ უკიდურესად ნათელ რენტგენებს.

”ჩვენ ვიღებთ ამ რენტგენოლოგიურ სხივებს და ვიყენებთ მათ, როგორც ჩვენს მიკროსკოპში შუქს”,-ამბობს ფოლენი.

იმის გამო, რომ ელექტრონები სინქროტრონის გარშემო მოგზაურობენ მტევნებში, რომლებიც გამოყოფილია ორი ნანოწამებით, მათ გამოსხივება რენტგენოლოგიურად ხდება ზუსტი პულსი.

სკანირების გადაცემის რენტგენული მიკროსკოპი, ან STXM, იღებს იმ რენტგენოლოგიურ სხივებს, რათა შექმნან მასალის მაგნიტური სტრუქტურის კადრი. ამ სურათების ერთმანეთთან შერწყმით, მკვლევარებს შეუძლიათ არსებითად შექმნან ფილმი, სადაც ნაჩვენებია, თუ როგორ იცვლება მიკრომაგნეტი დროთა განმავლობაში.

STXM– ის დახმარებით, ფოლვენმა და მისმა კოლეგებმა შეაწუხეს მათი მიკრომაგნეტები დინების პულსით, რამაც გამოიწვია მაგნიტური ველი, და დაინახა, რომ დომენების შეცვლის ფორმა და Vortex– ის ბირთვი მოძრაობს ცენტრიდან.

”თქვენ ძალიან მცირე მაგნიტი გაქვთ, შემდეგ კი მას აწყობთ და ცდილობთ, რომ კვლავ წარმოიდგინოთ იგი,” - ამბობს ის. ამის შემდეგ მათ დაინახეს, რომ ბირთვი შუაში დაბრუნდა, მაგრამ გრაგნილი ბილიკის გასწვრივ, არა სწორი ხაზი.

”ეს ერთგვარი ცეკვა დაუბრუნდება ცენტრს”, - ამბობს ფოლენი.

ერთი სრიალი და დასრულდა

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

NTNU Nanolab- ში მუშაობისას, მკვლევარებმა გადაჭრილ იქნა სუბსტრატის პრობლემა, მათი მიკრომაგნეტის დაკრძალვით ნახშირბადის ფენის ქვეშ, მისი მაგნიტური თვისებების დასაცავად.

შემდეგ მათ ფრთხილად და ზუსტად ჩამოართვეს სუბსტრატი გალიუმის იონების ფოკუსირებული სხივი, სანამ მხოლოდ ძალიან თხელი ფენა არ დარჩებოდა. ტკივილგამაყუჩებელ პროცესს შეიძლება რვა საათი დასჭირდეს თითო ნიმუშზე და ერთმა დარტყმამ შეიძლება კატასტროფა გამოიწვიოს.

”კრიტიკული ის არის, რომ თუ თქვენ კლავს მაგნიტიზმს, ჩვენ არ ვიცით, რომ სანამ ბერლინში ვიჯდებით”, - ამბობს ის. ”ხრიკი, რა თქმა უნდა, ერთზე მეტი ნიმუშის მოტანაა.”

ფუნდამენტური ფიზიკიდან მომავალ მოწყობილობებამდე

საბედნიეროდ, ეს მუშაობდა და გუნდმა გამოიყენა მათი ფრთხილად მომზადებული ნიმუშები იმის დასადგენად, თუ როგორ იზრდება და დროთა განმავლობაში იზრდება მიკრომაგნეტის დომენები. მათ ასევე შექმნეს კომპიუტერული სიმულაციები, რომ უკეთ გაერკვნენ, თუ რა ძალები იყვნენ მუშაობდნენ.

ისევე, როგორც ფუნდამენტური ფიზიკის ცოდნის მიღწევას, იმის გაგება, თუ როგორ მუშაობს მაგნიტიზმი ამ სიგრძეზე და დროში მასშტაბებში, შეიძლება სასარგებლო იყოს მომავალი მოწყობილობების შექმნაში.

მაგნიტიზმი უკვე გამოიყენება მონაცემთა შესანახად, მაგრამ მკვლევარები ამჟამად ეძებენ გზებს მისი გამოყენების შემდგომი გამოყენების მიზნით. მაგალითად, Micromagnet- ის Vortex ბირთვისა და დომენების მაგნიტური ორიენტაცია, შესაძლოა, გამოყენებული იქნას ინფორმაციის დაშიფვრისთვის 0S და 1S სახით.

მკვლევარები ახლა მიზნად ისახავს ამ სამუშაოს გამეორებას ანტი-ფერომაგნიტური მასალებით, სადაც ინდივიდუალური მაგნიტური მომენტების წმინდა ეფექტი ართმევს თავს. ეს პერსპექტიულია, როდესაც საქმე ეხება გამოთვლას-თეორიულად, ანტი-ფერომაგნიტური მასალები შეიძლება გამოყენებულ იქნას მოწყობილობების შესაქმნელად, რომლებიც მცირე ენერგიას საჭიროებენ და სტაბილური დარჩება, მაშინაც კი, როდესაც ძალა დაკარგულია, მაგრამ გამოკვლევა ბევრად უფრო რთულია, რადგან მათ მიერ წარმოებული სიგნალები გაცილებით სუსტი იქნება.

ამ გამოწვევის მიუხედავად, ფოლენი ოპტიმისტურია. ”ჩვენ პირველი საფუძველი გავაფორმეთ იმით, რომ ჩვენ შეგვიძლია გავაკეთოთ ნიმუშები და გადავხედოთ მათ რენტგენის სხივებით”,-ამბობს ის. ”შემდეგი ნაბიჯი იქნება იმის გარკვევა, შეგვიძლია თუ არა ჩვენ შეგვიძლია გავაკეთოთ საკმარისად მაღალი ხარისხის ნიმუშები, რომ მივიღოთ საკმარისი სიგნალი ანტი-ფერომაგნიტური მასალისგან.”