NTNU pētnieki mazos mērogos izgaismo magnētiskos materiālus, radot filmas ar dažu ārkārtīgi spilgtu rentgenstaru palīdzību.
Ēriks Folvens, NTNU Elektronisko sistēmu katedras oksīdu elektronikas grupas līdzdirektors, un viņa kolēģi no NTNU un Gentas Universitātes Beļģijā nolēma noskaidrot, kā mainās plānplēves mikromagnēti, ja tos traucē ārējs magnētiskais lauks. Pētījums, ko daļēji finansēja NTNU Nano un Norvēģijas Pētniecības padome, tika publicēts žurnālā Physical Review Research.
Sīkie magnēti
Einārs Standals Digerness izgudroja sīkus kvadrātveida magnētus, ko izmantoja eksperimentos.
Mazie kvadrātveida magnēti, ko radījis NTNU doktora grāda kandidāts Einars Standals Digerness, ir tikai divus mikrometrus plati un sadalīti četrās trīsstūrveida domēnēs, katrai no tām ir atšķirīga magnētiskā orientācija, kas vērsta pulksteņrādītāja virzienā vai pretēji pulksteņrādītāja virzienam ap magnētiem.
Dažos magnētiskos materiālos mazākas atomu grupas apvienojas apgabalos, ko sauc par domēniem, kuros visiem elektroniem ir vienāda magnētiskā orientācija.
NTNU magnētos šie domēni satiekas centrālā punktā — virpuļveida kodolā —, kur magnētiskais moments ir vērsts tieši materiāla plaknē vai ārpus tās.
“Kad mēs pielietojam magnētisko lauku, arvien vairāk šo domēnu vērsīsies vienā virzienā,” saka Folvens. “Tie var augt un sarauties, un tad tie var saplūst viens ar otru.”
Elektroni gandrīz gaismas ātrumā
Redzēt, kā tas notiek, nav viegli. Pētnieki savus mikromagnētus nogādāja 80 m platā, virtuļa formas sinhrotronā BESSY II Berlīnē, kur elektroni tiek paātrināti, līdz tie pārvietojas gandrīz ar gaismas ātrumu. Šie ātri kustīgie elektroni pēc tam izstaro ārkārtīgi spilgtus rentgena starus.
“Mēs ņemam šos rentgena starus un izmantojam tos kā gaismu mūsu mikroskopā,” saka Folvens.
Tā kā elektroni pārvietojas pa sinhrotronu grupās, kuras atdala divas nanosekundes, to izstarotie rentgenstari nāk precīzos impulsos.
Skenējošais transmisijas rentgenstaru mikroskops jeb STXM izmanto šos rentgenstarus, lai izveidotu materiāla magnētiskās struktūras momentuzņēmumu. Apvienojot šos momentuzņēmumus, pētnieki būtībā var izveidot filmu, kas parāda, kā mikromagnēts mainās laika gaitā.
Ar STXM palīdzību Folvens un viņa kolēģi traucēja saviem mikromagnētiem ar strāvas impulsu, kas ģenerēja magnētisko lauku, un redzēja, kā domēni maina formu un virpuļa kodols pārvietojas no centra.
“Jums ir ļoti mazs magnēts, un tad jūs to iebakstāt un mēģināt attēlot, kad tas atkal nosēžas,” viņš saka. Pēc tam viņi redzēja, kā kodols atgriežas centrā — bet pa līkumotu ceļu, nevis taisnu līniju.
"Tas it kā dejos atpakaļ uz centru," saka Folvens.
Viens slīdējums, un viss ir beidzies
Tas ir tāpēc, ka viņi pēta epitaksiālus materiālus, kas tiek veidoti uz substrāta virsmas, kas ļauj pētniekiem pielāgot materiāla īpašības, bet bloķētu rentgenstarus STXM.
Strādājot NTNU NanoLab, pētnieki atrisināja substrāta problēmu, apglabājot savu mikromagnētu zem oglekļa slāņa, lai aizsargātu tā magnētiskās īpašības.
Pēc tam viņi uzmanīgi un precīzi nošķēla apakšējo substrātu ar fokusētu gallija jonu staru kūli, līdz palika tikai ļoti plāns slānis. Rūpīgais process varēja ilgt astoņas stundas katram paraugam, un viena kļūda varēja izraisīt katastrofu.
“Kritiski svarīgi ir tas, ka, ja jūs iznīcināsiet magnētismu, mēs to neuzzināsim, pirms būsim Berlīnē,” viņš saka. “Knifs, protams, ir paņemt līdzi vairāk nekā vienu paraugu.”
No fundamentālās fizikas līdz nākotnes ierīcēm
Par laimi, tas izdevās, un komanda izmantoja rūpīgi sagatavotus paraugus, lai diagrammētu, kā mikromagnēta domēni laika gaitā aug un sarūk. Viņi arī izveidoja datorsimulācijas, lai labāk izprastu, kādi spēki darbojas.
Papildus fundamentālās fizikas zināšanu uzlabošanai, izpratne par to, kā magnētisms darbojas šajos garumos un laika periodos, varētu būt noderīga nākotnes ierīču izveidē.
Magnētisms jau tiek izmantots datu glabāšanai, taču pētnieki pašlaik meklē veidus, kā to vēl vairāk izmantot. Piemēram, mikromagnēta virpuļa kodola un domēnu magnētiskās orientācijas, iespējams, varētu izmantot, lai kodētu informāciju 0 un 1 formā.
Pētnieki tagad plāno atkārtot šo darbu ar antiferomagnētiskiem materiāliem, kuros atsevišķu magnētisko momentu neto ietekme tiek atcelta. Tie ir daudzsološi skaitļošanas jomā — teorētiski antiferomagnētiskus materiālus varētu izmantot, lai izgatavotu ierīces, kurām nepieciešams maz enerģijas un kuras saglabā stabilitāti pat strāvas zuduma gadījumā, — taču tos ir daudz sarežģītāk izpētīt, jo to radītie signāli būs daudz vājāki.
Neskatoties uz šo izaicinājumu, Folvens ir optimistisks. “Mēs esam paveikuši pirmo posmu, parādot, ka varam izgatavot paraugus un caur tiem skatīties ar rentgena stariem,” viņš saka. “Nākamais solis būs noskaidrot, vai mēs varam izgatavot pietiekami augstas kvalitātes paraugus, lai iegūtu pietiekamu signālu no antiferomagnētiska materiāla.”
Publicēšanas laiks: 2021. gada 10. maijs