NTNU зерттеушілері өте жарқын рентген сәулелерінің көмегімен фильмдер жасау арқылы шағын көлемдегі магниттік материалдарға жарық түсіруде.
NTNU электронды жүйелер кафедрасының оксидтік электроника тобының тең директоры Эрик Фолвен және NTNU мен Бельгиядағы Гент университетінің әріптестері жұқа қабықшалы микромагниттердің сыртқы магнит өрісі мазалаған кезде қалай өзгеретінін зерттеуге кірісті. NTNU Nano және Норвегияның Зерттеу кеңесі ішінара қаржыландырған жұмыс Physical Review Research журналында жарияланды.
Кішкентай магниттер
Эйнар Штандал Дигернес тәжірибелерде қолданылған кішкентай шаршы магниттерді ойлап тапты.
NTNU PhD кандидаты Эйнар Стандал Дигернес жасаған кішкентай шаршы магниттердің ені небәрі екі микрометр және төрт үшбұрышты доменге бөлінген, олардың әрқайсысы магниттердің айналасында сағат тілімен немесе сағат тіліне қарсы бағытталған әртүрлі магниттік бағытқа ие.
Кейбір магниттік материалдарда атомдардың кішігірім топтары барлық электрондардың магниттік бағыты бірдей болатын домендерге бірігеді.
NTNU магниттерінде бұл домендер орталық нүктеде - құйын өзегінде - кездеседі, мұнда магниттік момент материал жазықтығының ішінде немесе сыртында тікелей орналасқан.
«Магнит өрісін қолданған кезде, осы домендердің көбірек бөлігі бір бағытқа бағытталған болады», - дейді Фолвен. «Олар өсіп, кішірейе алады, содан кейін бір-біріне біріге алады».
Электрондар жарық жылдамдығымен дерлік
Мұны көру оңай емес. Зерттеушілер микромагниттерін Берлиндегі BESSY II деп аталатын 80 м ені бар пончик тәрізді синхротронға апарды, онда электрондар жарық жылдамдығымен қозғалатындай жылдамдықпен үдетіледі. Содан кейін бұл жылдам қозғалатын электрондар өте жарқын рентген сәулелерін шығарады.
«Біз бұл рентген сәулелерін алып, оларды микроскоптағы жарық ретінде пайдаланамыз», - дейді Фолвен.
Электрондар синхротронның айналасында екі наносекундпен бөлінген шоқтар түрінде қозғалатындықтан, олар шығаратын рентген сәулелері дәл импульстармен келеді.
Сканерлеуші рентгендік микроскоп немесе STXM материалдың магниттік құрылымының суретін жасау үшін сол рентген сәулелерін алады. Зерттеушілер осы суреттерді біріктіру арқылы микромагниттің уақыт өте келе қалай өзгеретінін көрсететін фильм жасай алады.
STXM көмегімен Фолвен және оның әріптестері микромагниттерді магнит өрісін тудыратын ток импульсімен мазалаған және домендердің пішінінің өзгергенін және құйын өзегінің орталықтан қозғалғанын көрген.
«Сізде өте кішкентай магнит бар, содан кейін оны түртіп, оның қайтадан орныққанын елестетуге тырысасыз», - дейді ол. Кейін олар өзектің ортасына қайтып оралғанын көрді - бірақ түзу сызықпен емес, иілген жолмен.
«Ол ортаға қарай билейтін сияқты болады», - дейді Фолвен.
Бір сәтсіздік және бәрі бітті
Себебі олар зерттеушілерге материалдың қасиеттерін өзгертуге мүмкіндік беретін, бірақ STXM-дегі рентген сәулелерін бұғаттайтын субстраттың үстінде жасалған эпитаксиалды материалдарды зерттейді.
NTNU NanoLab-та жұмыс істей отырып, зерттеушілер субстрат мәселесін микромагнитті оның магниттік қасиеттерін қорғау үшін көміртек қабатының астына көму арқылы шешті.
Содан кейін олар астындағы негізді галлий иондарының фокусталған сәулесімен өте жұқа қабат қалғанша мұқият және дәл кесіп тастады. Әр үлгіге сегіз сағат уақыт кетуі мүмкін, ал бір қателік апатқа әкелуі мүмкін.
«Ең бастысы, егер сіз магниттілікті жойсаңыз, біз Берлинде отырғанға дейін мұны білмейміз», - дейді ол. «Әрине, айла-шарғы бірнеше үлгіні әкелуде».
Негізгі физикадан болашақ құрылғыларға дейін
Бақытымызға орай, бұл жұмыс істеді, және команда мұқият дайындалған үлгілерді микромагниттің домендері уақыт өте келе қалай өсіп, кішірейетінін көрсету үшін пайдаланды. Сондай-ақ, олар қандай күштердің әрекет ететінін жақсырақ түсіну үшін компьютерлік модельдеулер жасады.
Негізгі физика туралы білімімізді жетілдірумен қатар, магнетизмнің осы ұзындық пен уақыт шкалаларында қалай жұмыс істейтінін түсіну болашақ құрылғыларды жасауға пайдалы болуы мүмкін.
Магнетизм деректерді сақтау үшін қазірдің өзінде қолданылады, бірақ зерттеушілер қазіргі уақытта оны одан әрі пайдалану жолдарын іздестіруде. Мысалы, микромагниттің құйын өзегінің және домендерінің магниттік бағдарлары ақпаратты 0 және 1 түрінде кодтау үшін пайдаланылуы мүмкін.
Зерттеушілер қазір бұл жұмысты антиферромагниттік материалдармен қайталауды мақсат етіп отыр, мұнда жеке магниттік моменттердің таза әсері жойылады. Бұл есептеулерге келгенде перспективалы болып табылады - теория жүзінде антиферромагниттік материалдарды аз энергияны қажет ететін және қуат жоғалған кезде де тұрақты болып қалатын құрылғылар жасау үшін пайдалануға болады - бірақ зерттеу әлдеқайда қиын, себебі олар шығаратын сигналдар әлдеқайда әлсіз болады.
Осы қиындыққа қарамастан, Фолвен оптимистік көзқараста. «Біз үлгілер жасай алатынымызды және оларды рентген сәулелерімен тексере алатынымызды көрсету арқылы алғашқы қадамды жасадық», - дейді ол. «Келесі қадам - антиферромагниттік материалдан жеткілікті сигнал алу үшін жеткілікті жоғары сапалы үлгілер жасай алатынымызды көру».
Жарияланған уақыты: 2021 жылғы 10 мамыр