Penyelidik dari NTNU memberi penerangan tentang bahan-bahan magnet pada skala kecil dengan membuat 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 Ghent University di Belgium berangkat untuk melihat bagaimana mikromagnet filem tipis berubah apabila terganggu oleh medan magnet di luar. Kerja yang dibiayai oleh NTNU Nano dan Majlis Penyelidikan Norway, diterbitkan dalam jurnal Penyelidikan Kajian Fizikal.
Magnet kecil
Einar Digernes Standal mencipta magnet persegi kecil yang digunakan dalam eksperimen.
Magnet persegi kecil, yang dicipta oleh NTNU Ph.D. Calon Einar yang berdiri sendiri, hanya dua mikrometer lebar dan dibahagikan kepada empat domain segi tiga, masing-masing dengan orientasi magnet yang berbeza yang menunjuk mengikut arah jam atau mengikut arah jam di sekitar magnet.
Dalam bahan -bahan magnet tertentu, kumpulan atom yang lebih kecil bersama -sama ke kawasan yang dipanggil domain, di mana semua elektron mempunyai orientasi magnet yang sama.
Dalam magnet NTNU, domain ini bertemu di titik pusat -teras vorteks -di mana momen magnet mata secara langsung masuk atau keluar dari satah bahan.
"Apabila kami memohon medan magnet, semakin banyak domain ini akan menunjukkan arah yang sama," kata Folven. "Mereka boleh tumbuh dan mereka boleh mengecut, dan kemudian mereka boleh bergabung dengan satu sama lain."
Elektron hampir dengan kelajuan cahaya
Melihat ini berlaku tidak mudah. Para penyelidik mengambil micromagnets mereka ke synchrotron berbentuk donat 80m, yang dikenali sebagai Bessy II, di Berlin, di mana elektron dipercepat sehingga mereka melakukan perjalanan dengan hampir kelajuan cahaya. Mereka yang bergerak cepat elektron kemudian memancarkan X-ray yang sangat terang.
"Kami mengambil X-ray ini dan menggunakannya sebagai cahaya dalam mikroskop kami," kata Folven.
Kerana elektron mengembara di sekitar synchrotron dalam tandan yang dipisahkan oleh dua nanodetik, X-ray yang mereka pancar datang dalam denyutan yang tepat.
Mikroskop X-ray penghantaran pengimbasan, atau STXM, mengambil X-ray untuk membuat gambar struktur magnet bahan. Dengan menjahit gambar -gambar ini bersama -sama, para penyelidik pada dasarnya dapat membuat filem yang menunjukkan bagaimana micromagnet berubah dari masa ke masa.
Dengan bantuan STXM, Folven dan rakan -rakannya mengganggu micromagnets mereka dengan nadi arus yang menghasilkan medan magnet, dan melihat bentuk domain berubah dan bergerak teras vorteks dari pusat.
"Anda mempunyai magnet yang sangat kecil, dan kemudian anda mencucuknya dan cuba menyiramnya ketika ia menetap lagi," katanya. Selepas itu, mereka melihat teras kembali ke tengah -tetapi di sepanjang jalan penggulungan, bukan garis lurus.
"Ia akan menari kembali ke pusat," kata Folven.
Satu slip dan sudah berakhir
Itu kerana mereka mengkaji bahan-bahan epitaxial, yang dicipta di atas substrat yang membolehkan penyelidik untuk mengubah sifat bahan, tetapi akan menyekat X-ray dalam STXM.
Bekerja di NTNU Nanolab, para penyelidik menyelesaikan masalah substrat dengan menguburkan micromagnet mereka di bawah lapisan karbon untuk melindungi sifat magnetnya.
Kemudian mereka dengan teliti dan tepat menghilangkan substrat di bawahnya dengan rasuk ion galium yang difokuskan sehingga hanya lapisan yang sangat nipis. Proses yang teliti boleh mengambil masa lapan jam setiap sampel -dan satu slip boleh mengeja bencana.
"Perkara kritikal ialah, jika anda membunuh magnet, kita tidak akan tahu bahawa sebelum kita duduk di Berlin," katanya. "Caranya, tentu saja, untuk membawa lebih daripada satu sampel."
Dari fizik asas ke peranti masa depan
Syukurlah ia berfungsi, dan pasukan itu menggunakan sampel yang disediakan dengan teliti untuk mencatat bagaimana domain micromagnet berkembang dan mengecut dari masa ke masa. Mereka juga mencipta simulasi komputer untuk lebih memahami apa daya yang ada di tempat kerja.
Serta memajukan pengetahuan kami tentang fizik asas, memahami bagaimana kemagnetan berfungsi pada skala panjang dan masa ini dapat membantu dalam mewujudkan peranti masa depan.
Magnetisme sudah digunakan untuk penyimpanan data, tetapi penyelidik sedang mencari cara untuk mengeksploitasi lagi. Orientasi magnet teras vorteks dan domain micromagnet, misalnya, mungkin boleh digunakan untuk mengekodkan maklumat dalam bentuk 0s dan 1s.
Para penyelidik kini bertujuan untuk mengulangi kerja ini dengan bahan-bahan anti-ferromagnetik, di mana kesan bersih momen magnet individu membatalkan. Ini menjanjikan ketika datang ke teori pengkomputeran, bahan anti-ferromagnetik boleh digunakan untuk membuat peranti yang memerlukan sedikit tenaga dan tetap stabil walaupun kuasa hilang-tetapi lebih banyak rumit untuk disiasat kerana isyarat yang mereka hasilkan akan menjadi lebih lemah.
Walaupun cabaran itu, Folven optimis. "Kami telah menutupi tanah pertama dengan menunjukkan kami boleh membuat sampel dan melihat mereka dengan X-ray," katanya. "Langkah seterusnya adalah untuk melihat sama ada kita boleh membuat sampel yang cukup tinggi untuk mendapatkan isyarat yang cukup dari bahan anti-ferromagnetik."
Masa Post: Mei-10-2021