Penyelidik dari NTNU memberi penerangan tentang bahan magnet pada skala kecil dengan mencipta filem dengan bantuan beberapa sinar-X yang sangat terang.
Erik Folven, pengarah bersama kumpulan elektronik oksida di Jabatan Sistem Elektronik NTNU, dan rakan sekerja dari NTNU dan Universiti Ghent di Belgium berusaha untuk melihat bagaimana mikromagnet filem nipis berubah apabila diganggu oleh medan magnet luar.Kerja itu, sebahagiannya dibiayai oleh NTNU Nano dan Majlis Penyelidikan Norway, diterbitkan dalam jurnal Penyelidikan Kajian Fizikal.
Magnet kecil
Einar Standal Digernes mencipta magnet persegi kecil yang digunakan dalam eksperimen.
Magnet persegi kecil, dicipta oleh NTNU Ph.D.calon Einar Standal Digernes, hanya dua mikrometer lebar dan berpecah kepada empat domain segi tiga, setiap satu dengan orientasi magnet berbeza menghala arah jam atau lawan jam di sekeliling magnet.
Dalam bahan magnet tertentu, kumpulan atom yang lebih kecil bergabung ke dalam kawasan yang dipanggil domain, di mana semua elektron mempunyai orientasi magnet yang sama.
Dalam magnet NTNU, domain ini bertemu pada titik pusat—teras pusaran—di mana momen magnet menghala terus ke dalam atau keluar dari satah bahan.
"Apabila kita menggunakan medan magnet, semakin banyak domain ini akan menghala ke arah yang sama," kata Folven."Mereka boleh berkembang dan mereka boleh mengecut, dan kemudian mereka boleh bergabung menjadi satu sama lain."
Elektron hampir pada kelajuan cahaya
Melihat perkara ini berlaku bukan mudah.Para penyelidik membawa mikromagnet mereka ke synchrotron berbentuk donat selebar 80m, dikenali sebagai BESSY II, di Berlin, di mana elektron dipercepatkan sehingga mereka bergerak pada kelajuan cahaya hampir.Elektron yang bergerak pantas itu kemudian memancarkan sinar-X yang sangat terang.
"Kami mengambil sinar-X ini dan menggunakannya sebagai cahaya dalam mikroskop kami," kata Folven.
Oleh kerana elektron bergerak mengelilingi synchrotron dalam tandan yang dipisahkan oleh dua nanosaat, sinar-X yang dipancarkan datang dalam denyutan yang tepat.
Mikroskop sinar-X penghantaran pengimbasan, atau STXM, mengambil sinar-X tersebut untuk mencipta gambaran struktur magnet bahan.Dengan mencantumkan syot kilat ini bersama-sama, para penyelidik pada dasarnya boleh mencipta filem yang menunjukkan bagaimana mikromagnet berubah dari semasa ke semasa.
Dengan bantuan STXM, Folven dan rakan-rakannya mengganggu mikromagnet mereka dengan nadi arus yang menghasilkan medan magnet, dan melihat domain berubah bentuk dan teras pusaran bergerak dari pusat.
"Anda mempunyai magnet yang sangat kecil, dan kemudian anda mencucuknya dan cuba menggambarkannya apabila ia mendap semula," katanya.Selepas itu, mereka melihat teras kembali ke tengah-tetapi di sepanjang laluan berliku, bukan garis lurus.
"Ia akan menari kembali ke tengah," kata Folven.
Satu slip dan selesai
Itu kerana mereka mengkaji bahan epitaxial, yang dicipta di atas substrat yang membolehkan penyelidik mengubahsuai sifat bahan, tetapi akan menyekat sinar-X dalam STXM.
Bekerja di NTNU NanoLab, para penyelidik menyelesaikan masalah substrat dengan menanam mikromagnet mereka di bawah lapisan karbon untuk melindungi sifat magnetnya.
Kemudian mereka dengan berhati-hati dan tepat memotong substrat di bawahnya dengan pancaran fokus ion galium sehingga hanya tinggal lapisan yang sangat nipis.Proses yang teliti boleh mengambil masa lapan jam bagi setiap sampel—dan satu tergelincir boleh membawa bencana.
"Perkara kritikal ialah, jika anda membunuh kemagnetan, kami tidak akan tahu itu sebelum kami duduk di Berlin," katanya."Caranya, sudah tentu, membawa lebih daripada satu sampel."
Daripada fizik asas kepada peranti masa hadapan
Syukurlah ia berjaya, dan pasukan menggunakan sampel mereka yang disediakan dengan teliti untuk mencatat cara domain mikromagnet berkembang dan mengecut dari semasa ke semasa.Mereka juga mencipta simulasi komputer untuk lebih memahami kuasa yang sedang bekerja.
Selain memajukan pengetahuan kami tentang fizik asas, memahami cara kemagnetan berfungsi pada skala panjang dan masa ini boleh membantu dalam mencipta peranti masa hadapan.
Kemagnetan sudah digunakan untuk penyimpanan data, tetapi para penyelidik sedang mencari cara untuk mengeksploitasinya lagi.Orientasi magnet teras vorteks dan domain mikromagnet, sebagai contoh, mungkin boleh digunakan untuk mengekod maklumat dalam bentuk 0s dan 1s.
Para penyelidik kini berhasrat untuk mengulangi kerja ini dengan bahan anti-ferromagnetik, di mana kesan bersih momen magnet individu dibatalkan.Ini menjanjikan apabila melibatkan pengkomputeran—secara teorinya, bahan anti-ferromagnetik boleh digunakan untuk membuat peranti yang memerlukan sedikit tenaga dan kekal stabil walaupun apabila kuasa terputus—tetapi lebih sukar untuk disiasat kerana isyarat yang dihasilkannya akan menjadi lebih lemah. .
Walaupun cabaran itu, Folven optimis."Kami telah meliputi perkara pertama dengan menunjukkan kami boleh membuat sampel dan melihat melaluinya dengan X-ray," katanya."Langkah seterusnya adalah untuk melihat sama ada kita boleh membuat sampel yang cukup berkualiti tinggi untuk mendapatkan isyarat yang mencukupi daripada bahan anti-ferromagnetik."
Masa siaran: 10 Mei 2021