NTNU pētnieki mazos mērogos atklāj magnētiskos materiālus, veidojot filmas ar dažu ārkārtīgi spilgtu rentgena stariem.
Ēriks Folvens, NTNU elektronisko sistēmu departamenta oksīda elektronikas grupas līdzdirektors, kā arī NTNU un Gentas universitātes Beļģijā kolēģi, lai redzētu, kā mainās plānas plēves mikromagnēti, ja to traucē ārējais magnētiskais lauks. Darbs, ko daļēji finansēja NTNU Nano un Norvēģijas Pētniecības padome, tika publicēts žurnālā Physical Review Research.
Sīki magnēti
Einārs Standal Digernes izgudroja sīkos kvadrātveida magnētus, kas izmantoti eksperimentos.
Nelielie kvadrātveida magnēti, ko izveidojis NTNU Ph.D. Kandidāts Einar patstāvīgais Digernes ir tikai divi mikrometru plati un sadalīti četros trīsstūrveida domēnos, katrs ar atšķirīgu magnētisko orientāciju, kas norāda uz pulksteņrādītāja virzienu vai anti-pulksteņrādītāja virzienā ap magnētiem.
Dažos magnētiskos materiālos mazākas atomu grupas apvienojas vietās, ko sauc par domēniem, kur visiem elektroniem ir tāda pati magnētiskā orientācija.
NTNU magnētos šie domēni atbilst centrālajā punktā - virpuļa kodolā -, kur magnētiskais moments norāda tieši uz materiāla plaknes vai no tās.
“Kad mēs uzklājam magnētisko lauku, arvien vairāk no šiem domēniem norādīs vienā virzienā,” saka Folvens. "Viņi var augt, un viņi var sarukt, un tad viņi var apvienoties savā starpā."
Elektroni gandrīz ar gaismas ātrumu
Redzēt, ka tas notiek, nav viegli. Pētnieki pārņēma mikromagnētus uz 80 m platuma virtules formas sinhrotronu, kas pazīstams kā Bessy II, Berlīnē, kur elektroni tiek paātrināti, līdz viņi ceļo gandrīz ar gaismas ātrumu. Pēc tam šie ātri pārvietojošie elektroni izstaro ārkārtīgi spilgtus rentgena starus.
“Mēs ņemam šos rentgena starus un izmantojam tos kā gaismu mūsu mikroskopā,” saka Folvens.
Tā kā elektroni pārvietojas ap sinhrotronu ķekaros, kas atdalīti ar divām nanosekundēm, rentgenstūriem, kurus tie izstaro, ir precīzi impulsi.
Skenēšanas rentgenstaru mikroskops vai STXM tiek veikti šie rentgena stari, lai izveidotu momentuzņēmumu par materiāla magnētisko struktūru. Izšaujot šos momentuzņēmumus kopā, pētnieki būtībā var izveidot filmu, kas parāda, kā laika gaitā mainās mikromagnēts.
Ar STXM palīdzību Folvens un viņa kolēģi traucēja to mikromagnētus ar strāvas impulsu, kas radīja magnētisko lauku, un redzēja, ka domēns maina formu un virpuļa kodolu pārvietojas no centra.
"Jums ir ļoti mazs magnēts, un tad jūs to iebāžat un mēģināt to attēlot, kad tas atkal nokārtojas," viņš saka. Pēc tam viņi redzēja, ka kodols atgriežas pa vidu, bet pa līkumaino ceļu, nevis taisnu līniju.
“Tas kaut kā dejos atpakaļ uz centru,” saka Folvens.
Viena slīdēšana un tas ir beidzies
Tas ir tāpēc, ka viņi pēta epitaksiālos materiālus, kas ir izveidoti virs pamatnes, kas ļauj pētniekiem pielāgot materiāla īpašības, bet bloķētu rentgena starus STXM.
Strādājot NTNU nanolabā, pētnieki atrisināja substrāta problēmu, apglabājot to mikromagnētu zem oglekļa slāņa, lai aizsargātu tā magnētiskās īpašības.
Tad viņi uzmanīgi un precīzi sasmalcināja zem substrāta zem tā ar fokusētu gallija jonu staru, līdz palika tikai ļoti plāns slānis. Kāpīgais process varētu ilgt astoņas stundas vienā paraugā - un viens paslīdēšana varētu būt katastrofa.
"Kritiski ir tas, ka, ja jūs nogalināsit magnētismu, mēs to nezinām, pirms mēs sēdēsim Berlīnē," viņš saka. "Viltība, protams, ir ienest vairāk nekā vienu paraugu."
No pamatfizikas līdz nākamajām ierīcēm
Par laimi tas darbojās, un komanda izmantoja savus rūpīgi sagatavotos paraugus, lai parādītu, kā Micromagnet domēni laika gaitā aug un sarūk. Viņi arī izveidoja datorsimulācijas, lai labāk saprastu, kādi spēki bija darbā.
Papildus mūsu zināšanām par firikālo fiziku, izpratne par to, kā magnētisms darbojas šajos garuma un laika skalās, varētu būt noderīgi, lai izveidotu turpmākas ierīces.
Magnētisms jau tiek izmantots datu glabāšanai, bet pētnieki šobrīd meklē veidus, kā to izmantot tālāk. Piemēram, iespējams, varētu izmantot virpuļa kodola magnētiskās orientācijas un mikromagnēta domēnus, iespējams, var izmantot, lai kodētu informāciju 0 un 1.
Pētnieku tagad mērķis ir atkārtot šo darbu ar anti-ferromagnētiskiem materiāliem, kur atsevišķu magnētisko momentu neto iedarbība tiek atcelta. Tie ir daudzsološi, kad runa ir par skaitļošanu-teorijā anti-ferromagnētiskos materiālus varētu izmantot, lai izgatavotu ierīces, kurām nepieciešama maz enerģijas un paliek stabila, pat ja jauda tiek zaudēta, bet daudz grūtāk izpētīt, jo viņu radītie signāli būs daudz vājāki.
Neskatoties uz šo izaicinājumu, Folvens ir optimistisks. "Mēs esam pārklājuši pirmo vietu, parādot, ka varam izgatavot paraugus un tos aplūkot ar rentgena stariem," viņš saka. "Nākamais solis būs redzēt, vai mēs varam izgatavot pietiekami augstas kvalitātes paraugus, lai iegūtu pietiekami daudz signāla no pretferromagnētiska materiāla."
Pasta laiks: maijs-10-2021