NTNU tyrėjai nušviečia magnetines medžiagas nedideliu mastu, kurdami filmus, pasitelkdami itin ryškius rentgeno spindulius.
Erikas Folvenas, NTNU Elektroninių sistemų katedros oksidų elektronikos grupės bendras direktorius, ir jo kolegos iš NTNU bei Gento universiteto Belgijoje nusprendė ištirti, kaip plonasluoksniai mikromagnetai keičiasi, kai juos trikdo išorinis magnetinis laukas. Darbas, kurį iš dalies finansavo NTNU Nano ir Norvegijos tyrimų taryba, buvo paskelbtas žurnale „Physical Review Research“.
Maži magnetai
Einaras Standalas Digernesas išrado mažyčius kvadratinius magnetus, naudojamus eksperimentuose.
Mažyčiai kvadratiniai magnetai, kuriuos sukūrė NTNU doktorantas Einaras Standalas Digernesas, yra vos dviejų mikrometrų pločio ir padalinti į keturias trikampes sritis, kurių kiekviena turi skirtingą magnetinę orientaciją, nukreiptą pagal arba prieš laikrodžio rodyklę aplink magnetus.
Tam tikrose magnetinėse medžiagose mažesnės atomų grupės jungiasi į sritis, vadinamas domenais, kuriose visi elektronai turi tą pačią magnetinę orientaciją.
NTNU magnetuose šios sritys susitinka centriniame taške – sūkurinėje šerdyje, kur magnetinis momentas nukreiptas tiesiai į medžiagos plokštumą arba iš jos.
„Kai taikome magnetinį lauką, vis daugiau šių domenų bus nukreipti ta pačia kryptimi“, – sako Folvenas. „Jie gali augti, trauktis ir susilieti vienas su kitu.“
Elektronai beveik šviesos greičiu
Tai pamatyti nėra lengva. Tyrėjai savo mikromagnetus nunešė į 80 m pločio spurgos formos sinchrotroną, žinomą kaip BESSY II, Berlyne, kur elektronai greitinami tol, kol jie pradeda skrieti beveik šviesos greičiu. Tie greitai judantys elektronai tada skleidžia itin ryškius rentgeno spindulius.
„Mes imame šiuos rentgeno spindulius ir naudojame juos kaip šviesą savo mikroskope“, – sako Folvenas.
Kadangi elektronai aplink sinchrotroną keliauja ryšulėliais, atskirtais dviejų nanosekundžių intervalais, jų skleidžiami rentgeno spinduliai sklinda tiksliais impulsais.
Skenuojantis transmisinis rentgeno mikroskopas (STXM) paima šiuos rentgeno spindulius, kad sukurtų medžiagos magnetinės struktūros momentinę nuotrauką. Sujungdami šias nuotraukas, tyrėjai iš esmės gali sukurti filmą, rodantį, kaip mikromagnetas keičiasi laikui bėgant.
Pasitelkę STXM, Folvenas ir jo kolegos sutrikdė savo mikromagnetus srovės impulsu, kuris sukūrė magnetinį lauką, ir pamatė, kaip domenai keičia formą, o sūkurio šerdis juda iš centro.
„Turite labai mažą magnetą, tada bakstelėkite jį ir pabandykite pavaizduoti, kaip jis vėl nusileidžia“, – sako jis. Vėliau jie matė, kaip šerdis grįžta į vidurį – bet vingiuotu keliu, o ne tiesia linija.
„Jis tarsi šoks atgal į centrą“, – sako Folvenas.
Vienas slydimas ir viskas baigta
Taip yra todėl, kad jie tiria epitaksines medžiagas, kurios yra sukurtos ant substrato, kuris leidžia tyrėjams koreguoti medžiagos savybes, bet blokuoja rentgeno spindulius STXM.
Dirbdami NTNU NanoLab, tyrėjai išsprendė substrato problemą palaidodami savo mikromagnetą po anglies sluoksniu, kad apsaugotų jo magnetines savybes.
Tada jie kruopščiai ir tiksliai nuskeldino po apačia esantį substratą fokusuotu galio jonų spinduliu, kol liko tik labai plonas sluoksnis. Kruopštus procesas galėjo užtrukti aštuonias valandas vienam mėginiui, o viena klaida galėjo sukelti katastrofą.
„Svarbiausia, kad jei išjungsime magnetizmą, to nesužinosime iki pat Berlyno“, – sako jis. „Žinoma, esmė ta, kad reikia atsivežti daugiau nei vieną pavyzdį.“
Nuo fundamentaliosios fizikos iki ateities prietaisų
Laimei, tai suveikė, ir komanda, naudodama kruopščiai paruoštus mėginius, diagramavo, kaip mikromagneto domenai laikui bėgant auga ir traukiasi. Jie taip pat sukūrė kompiuterinius modeliavimus, kad geriau suprastų, kokios jėgos veikė.
Be to, kad gilintume savo žinias apie pagrindinę fiziką, supratimas, kaip magnetizmas veikia tokiais ilgiais ir laiko skalėmis, galėtų būti naudingas kuriant būsimus įrenginius.
Magnetizmas jau naudojamas duomenims saugoti, tačiau tyrėjai šiuo metu ieško būdų, kaip jį dar labiau išnaudoti. Pavyzdžiui, mikromagneto sūkurinio branduolio ir domenų magnetinės orientacijos galbūt galėtų būti panaudotos informacijai koduoti nulių ir vienetų forma.
Dabar tyrėjai siekia pakartoti šį darbą su antiferomagnetinėmis medžiagomis, kuriose atskirų magnetinių momentų grynasis poveikis panaikina vienas kitą. Šios medžiagos yra daug žadančios skaičiavimo srityje – teoriškai antiferomagnetinės medžiagos galėtų būti naudojamos gaminant įrenginius, kuriems reikia mažai energijos ir kurie išlieka stabilūs net ir nutrūkus maitinimui, – tačiau jas tirti yra daug sudėtingiau, nes jų skleidžiami signalai bus daug silpnesni.
Nepaisant šio iššūkio, Folvenas optimistiškai nusiteikęs. „Pirmąjį etapą įveikėme parodydami, kad galime pagaminti mėginius ir per juos žiūrėti rentgeno spinduliais“, – sako jis. „Kitas žingsnis bus išsiaiškinti, ar galime pagaminti pakankamai aukštos kokybės mėginius, kad gautume pakankamai signalo iš antiferomagnetinės medžiagos.“
Įrašo laikas: 2021 m. gegužės 10 d.