Pētnieki no NTNU izgaismo magnētiskos materiālus mazos mērogos, veidojot filmas ar dažu ārkārtīgi spilgtu rentgena staru palīdzību.
Ēriks Folvens, NTNU Elektronisko sistēmu katedras oksīdu elektronikas grupas līdzdirektors, un kolēģi no NTNU un Ģentes universitātes Beļģijā mēģināja noskaidrot, kā mainās plānslāņa mikromagnēti, ja tos traucē ārējais magnētiskais lauks.Darbs, ko daļēji finansēja NTNU Nano un Norvēģijas Pētniecības padome, tika publicēts žurnālā Physical Review Research.
Mazie magnēti
Einārs Standals Digerness izgudroja eksperimentos izmantotos sīkos kvadrātveida magnētus.
Mazie kvadrātveida magnēti, ko radījis NTNU Ph.D.kandidāts Einārs Standals Digerness, ir tikai divus mikrometrus plati un sadalīti četros trīsstūrveida domēnos, katrs ar atšķirīgu magnētisko orientāciju, kas vērsts ap magnētiem pulksteņrādītāja virzienā vai pretēji pulksteņrādītāja virzienam.
Dažos magnētiskos materiālos mazākas atomu grupas apvienojas apgabalos, ko sauc par domēniem, kuros visiem elektroniem ir vienāda magnētiskā orientācija.
NTNU magnētos šie domēni satiekas centrālajā punktā - virpuļa kodolā -, kur magnētiskais moments norāda tieši materiāla plaknē vai ārpus tās.
"Kad mēs izmantojam magnētisko lauku, arvien vairāk šo domēnu būs vērsti vienā virzienā," saka Folvens."Viņi var augt un sarukt, un tad tie var saplūst viens otrā."
Elektroni gandrīz ar gaismas ātrumu
Redzēt, ka tas notiek, nav viegli.Pētnieki nogādāja savus mikromagnētus uz 80 m platu virtuļa formas sinhrotronu, kas pazīstams kā BESSY II, Berlīnē, kur elektroni tiek paātrināti, līdz tie pārvietojas gandrīz ar gaismas ātrumu.Šie ātri kustīgie elektroni izstaro ārkārtīgi spilgtus rentgena starus.
"Mēs uzņemam šos rentgena starus un izmantojam tos kā gaismu mūsu mikroskopā," saka Folvens.
Tā kā elektroni pārvietojas pa sinhrotronu ķekaros, ko atdala divas nanosekundes, to izstarotie rentgena stari nāk precīzos impulsos.
Skenējošs transmisijas rentgena mikroskops jeb STXM ņem šos rentgena starus, lai izveidotu materiāla magnētiskās struktūras momentuzņēmumu.Savienojot šos momentuzņēmumus, pētnieki būtībā var izveidot filmu, kurā parādīts, kā mikromagnēts laika gaitā mainās.
Ar STXM palīdzību Folvens un viņa kolēģi traucēja savus mikromagnētus ar strāvas impulsu, kas radīja magnētisko lauku, un redzēja, ka domēni maina formu un virpuļa kodols pārvietojas no centra.
"Jums ir ļoti mazs magnēts, un tad jūs to iedurat un mēģināt to attēlot, kad tas atkal nosēžas," viņš saka.Pēc tam viņi redzēja, ka kodols atgriežas vidū, bet pa līkumotu ceļu, nevis taisnu līniju.
"Tas dejos atpakaļ uz centru," saka Folvens.
Viena paslīdēšana un viss ir beidzies
Tas ir tāpēc, ka viņi pēta epitaksiālos materiālus, kas ir izveidoti virs substrāta, kas ļauj pētniekiem pielāgot materiāla īpašības, bet bloķē rentgenstarus STXM.
Strādājot NTNU NanoLab, pētnieki atrisināja substrāta problēmu, apglabājot savu mikromagnētu zem oglekļa slāņa, lai aizsargātu tā magnētiskās īpašības.
Pēc tam viņi rūpīgi un precīzi nošķelda apakšējo substrātu ar fokusētu gallija jonu staru, līdz palika tikai ļoti plāns slānis.Rūpīgais process var ilgt astoņas stundas vienam paraugam, un viens paslīdējums var izraisīt katastrofu.
"Svarīgākais ir tas, ka, ja jūs nogalināsit magnētismu, mēs to neuzzināsim, pirms sēdēsim Berlīnē," viņš saka."Tiks, protams, ir atnest vairāk nekā vienu paraugu."
No fundamentālās fizikas līdz nākotnes ierīcēm
Par laimi tas strādāja, un komanda izmantoja savus rūpīgi sagatavotos paraugus, lai attēlotu, kā mikromagnēta domēni laika gaitā aug un sarūk.Viņi arī izveidoja datorsimulācijas, lai labāk saprastu, kādi spēki darbojas.
Papildus mūsu zināšanu uzlabošanai par fundamentālo fiziku, izpratne par to, kā magnētisms darbojas šajos garuma un laika skalās, varētu būt noderīga nākotnes ierīču izveidē.
Magnētisms jau tiek izmantots datu glabāšanai, taču pētnieki pašlaik meklē veidus, kā to tālāk izmantot.Piemēram, virpuļveida kodola un mikromagnēta domēnu magnētiskās orientācijas varētu izmantot, lai kodētu informāciju 0 un 1 formā.
Pētnieki tagad cenšas atkārtot šo darbu ar antiferomagnētiskiem materiāliem, kur tiek atcelta atsevišķu magnētisko momentu tīrā ietekme.Tie ir daudzsološi attiecībā uz skaitļošanu — teorētiski antiferomagnētiskos materiālus varētu izmantot, lai izgatavotu ierīces, kurām ir nepieciešams maz enerģijas un kuras paliek stabilas pat tad, ja tiek zaudēta jauda, taču to ir daudz grūtāk izpētīt, jo to radītie signāli būs daudz vājāki. .
Neskatoties uz šo izaicinājumu, Folvens ir optimistisks."Mēs esam veikuši pirmo pamatu, parādot, ka varam izgatavot paraugus un apskatīt tos ar rentgena stariem," viņš saka."Nākamais solis būs noskaidrot, vai mēs varam izgatavot pietiekami augstas kvalitātes paraugus, lai iegūtu pietiekami daudz signālu no antiferomagnētiska materiāla."
Izlikšanas laiks: 2021. gada 10. maijs