Penyelidik dari NTNU sedang 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 berhasrat untuk melihat bagaimana mikromagnet filem nipis berubah apabila diganggu oleh medan magnet luar. Kajian ini, yang sebahagiannya dibiayai oleh NTNU Nano dan Majlis Penyelidikan Norway, telah diterbitkan dalam jurnal Physical Review Research.
Magnet kecil
Einar Standal Digernes mencipta magnet segi empat sama kecil yang digunakan dalam eksperimen tersebut.
Magnet segi empat sama kecil yang dicipta oleh calon Ph.D. NTNU, Einar Standal Digernes, hanya selebar dua mikrometer dan dibahagikan kepada empat domain segi tiga, setiap satu dengan orientasi magnet yang berbeza menghala mengikut arah jam atau lawan arah jam di sekeliling magnet.
Dalam bahan magnet tertentu, kumpulan atom yang lebih kecil bergabung bersama menjadi 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 menghala terus ke dalam atau ke luar satah bahan.
“Apabila kita menggunakan medan magnet, semakin banyak domain ini akan menghala ke arah yang sama,” kata Folven. “Ia boleh membesar dan mengecut, dan kemudian ia boleh bergabung antara satu sama lain.”
Elektron hampir pada kelajuan cahaya
Melihat perkara ini berlaku bukanlah mudah. Para penyelidik membawa mikromagnet mereka ke sinkrotron berbentuk donat selebar 80m, yang dikenali sebagai BESSY II, di Berlin, di mana elektron dipercepatkan sehingga bergerak hampir pada kelajuan cahaya. 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 sinkrotron dalam tandan yang dipisahkan oleh dua nanosaat, sinar-X yang dipancarkannya datang dalam denyutan yang tepat.
Mikroskop sinar-X penghantaran imbasan, atau STXM, mengambil sinar-X tersebut untuk menghasilkan gambaran ringkas struktur magnet bahan. Dengan menggabungkan gambar-gambar ini, para penyelidik pada asasnya boleh menghasilkan filem yang menunjukkan bagaimana mikromagnet berubah dari semasa ke semasa.
Dengan bantuan STXM, Folven dan rakan-rakannya mengganggu mikromagnet mereka dengan denyut arus yang menghasilkan medan magnet, dan melihat domain berubah bentuk dan teras vorteks bergerak dari pusat.
“Anda mempunyai magnet yang sangat kecil, dan kemudian anda mencucuknya dan cuba menggambarkannya semasa ia mendap semula,” katanya. Selepas itu, mereka melihat terasnya kembali ke tengah—tetapi di sepanjang laluan yang berliku, bukan garis lurus.
"Ia akan menari kembali ke tengah," kata Folven.
Satu tergelincir dan ia berakhir
Ini kerana mereka mengkaji bahan epitaksi, yang dicipta di atas substrat yang membolehkan penyelidik mengubah suai 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 ion galium yang terfokus sehingga hanya tinggal lapisan yang sangat nipis. Proses yang teliti itu boleh mengambil masa lapan jam setiap sampel—dan satu kesilapan boleh mengakibatkan bencana.
“Perkara pentingnya ialah, jika anda menghapuskan daya tarikan, kita tidak akan mengetahuinya sebelum kita duduk di Berlin,” katanya. “Caranya, sudah tentu, adalah dengan membawa lebih daripada satu sampel.”
Daripada fizik asas kepada peranti masa hadapan
Syukurlah ia berjaya, dan pasukan itu menggunakan sampel yang disediakan dengan teliti untuk mencatat bagaimana domain mikromagnet berkembang dan mengecut dari semasa ke semasa. Mereka juga mencipta simulasi komputer untuk lebih memahami daya yang sedang bekerja.
Selain memajukan pengetahuan kita tentang fizik asas, memahami bagaimana kemagnetan berfungsi pada skala panjang dan masa ini boleh membantu dalam mencipta peranti masa hadapan.
Kemagnetan telah pun digunakan untuk penyimpanan data, tetapi para penyelidik sedang mencari cara untuk memanfaatkannya dengan lebih lanjut. Orientasi magnet teras vorteks dan domain mikromagnet, sebagai contoh, mungkin boleh digunakan untuk mengekod maklumat dalam bentuk 0 dan 1.
Para penyelidik kini berhasrat untuk mengulangi kerja ini dengan bahan anti-feromagnetik, di mana kesan bersih momen magnet individu terbatal. Ini menjanjikan apabila melibatkan pengkomputeran—secara teorinya, bahan anti-feromagnetik boleh digunakan untuk membuat peranti yang memerlukan sedikit tenaga dan kekal stabil walaupun kuasa terputus—tetapi lebih sukar untuk disiasat kerana isyarat yang dihasilkannya akan menjadi jauh lebih lemah.
Walaupun menghadapi cabaran itu, Folven optimis. “Kami telah meneliti perkara pertama dengan menunjukkan bahawa kami boleh membuat sampel dan melihatnya dengan sinar-X,” katanya. “Langkah seterusnya adalah untuk melihat sama ada kami boleh membuat sampel yang berkualiti tinggi untuk mendapatkan isyarat yang mencukupi daripada bahan anti-feromagnet.”
Masa siaran: 10-Mei-2021