Onderzoekers van NTNU werpen licht op magnetische materialen op kleine schalen door films te maken met behulp van enkele extreem heldere röntgenfoto's.
Erik Folven, co-directeur van de Oxide Electronics Group bij NTNU's Department of Electronic Systems, en collega's van NTNU en Gent University in België wilden zien hoe dunne-film micromagneten veranderen wanneer ze worden verstoord door een buiten magnetisch veld. Het werk, gedeeltelijk gefinancierd door NTNU Nano en de Research Council van Noorwegen, werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Research.
Kleine magneten
Einar standal GREGELS vond de kleine vierkante magneten die in de experimenten werden gebruikt.
De kleine vierkante magneten, gemaakt door NTNU Ph.D. Kandidaat Einar Standal Grigernes, zijn slechts twee micrometer breed en worden opgesplitst in vier driehoekige domeinen, elk met een andere magnetische oriëntatie die met de klok mee of tegen de klok in rond de magneten wijst.
In bepaalde magnetische materialen binden kleinere groepen atomen samen in gebieden die domeinen worden genoemd, waarin alle elektronen dezelfde magnetische oriëntatie hebben.
In de NTNU -magneten ontmoeten deze domeinen zich op een centraal punt - de vortex -kern - waar het magnetische moment direct in of uit het vlak van het materiaal wijst.
"Wanneer we een magnetisch veld toepassen, zullen steeds meer van deze domeinen in dezelfde richting wijzen", zegt Folven. "Ze kunnen groeien en ze kunnen krimpen, en dan kunnen ze in elkaar fuseren."
Elektronen bijna met de snelheid van het licht
Dit zien gebeuren is niet eenvoudig. De onderzoekers namen hun micromagneten mee naar een 80 meter brede donutvormige synchrotron, bekend als Bessy II, in Berlijn, waar elektronen worden versneld totdat ze met bijna de snelheid van het licht reizen. Die snel bewegende elektronen stoten dan extreem heldere röntgenfoto's uit.
"We nemen deze röntgenfoto's en gebruiken ze als het licht in onze microscoop", zegt Folven.
Omdat elektronen rond de synchrotron reizen in trossen gescheiden door twee nanoseconden, zijn de röntgenfoto's die ze uitstralen, in precieze pulsen.
Een scanning transmissie röntgenmicroscoop, of STXM, neemt die röntgenfoto's om een momentopname van de magnetische structuur van het materiaal te maken. Door deze snapshots samen te naaien, kunnen de onderzoekers in wezen een film maken die laat zien hoe de micromagneet in de loop van de tijd verandert.
Met behulp van de STXM verstoorden Folven en zijn collega's hun micromagneten met een stroompuls die een magnetisch veld genereerde, en zag de domeinen van vorm veranderen en de vortex -kern van het midden bewegen.
"Je hebt een heel kleine magneet, en dan porren je het en probeer je het voor te stellen zoals het weer vestigt," zegt hij. Daarna zagen ze de kern terugkeren naar het midden - maar langs een kronkelend pad, geen rechte lijn.
"Het zal een beetje terug dansen naar het centrum", zegt Folven.
Één slip en het is voorbij
Dat komt omdat ze epitaxiale materialen bestuderen, die zijn gemaakt bovenop een substraat waarmee onderzoekers de eigenschappen van het materiaal kunnen aanpassen, maar de röntgenfoto's in een STXM zouden blokkeren.
Werkend in NTNU nanolab, hebben de onderzoekers het substraatprobleem opgelost door hun micromagneet onder een laag koolstof te begraven om de magnetische eigenschappen ervan te beschermen.
Vervolgens hebben ze het substraat eronder voorzichtig en nauwkeurig afgebroken met een gerichte straal galliumionen totdat slechts een zeer dunne laag overbleef. Het nauwgezette proces kan acht uur per monster duren - en één slip kan een rampspanscheppen.
"Het kritische is dat als je het magnetisme doodt, we dat niet zullen weten voordat we in Berlijn zitten", zegt hij. "De truc is natuurlijk om meer dan één voorbeeld te brengen."
Van fundamentele fysica tot toekomstige apparaten
Gelukkig werkte het en het team gebruikte hun zorgvuldig voorbereide monsters om in kaart te brengen hoe de domeinen van de micromagneet groeien en in de loop van de tijd krimpen. Ze creëerden ook computersimulaties om beter te begrijpen welke krachten op het werk waren.
Naast het bevorderen van onze kennis van de fundamentele fysica, kan het begrijpen van hoe magnetisme op deze lengte en tijdschalen werkt bij het creëren van toekomstige apparaten.
Magnetisme wordt al gebruikt voor gegevensopslag, maar onderzoekers zijn momenteel op zoek naar manieren om het verder te exploiteren. De magnetische oriëntaties van de vortex -kern en domeinen van een micromagneet kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om informatie te coderen in de vorm van 0s en 1s.
De onderzoekers willen dit werk nu herhalen met anti-ferromagnetische materialen, waarbij het netto-effect van de individuele magnetische momenten zich opslaat. Deze zijn veelbelovend als het gaat om computergebruik-in theorie kunnen anti-ferromagnetische materialen worden gebruikt om apparaten te maken die weinig energie vereisen en stabiel blijven, zelfs wanneer de stroom verloren gaat-maar een stuk lastiger om te onderzoeken omdat de signalen die ze produceren veel zwakker zullen zijn.
Ondanks die uitdaging is Folven optimistisch. "We hebben de eerste grond bedekt door te laten zien dat we monsters kunnen maken en er doorheen kunnen kijken met röntgenfoto's", zegt hij. "De volgende stap zal zijn om te zien of we monsters van voldoende hoge kwaliteit kunnen maken om voldoende signaal te krijgen van een anti-ferromagnetisch materiaal."
Posttijd: mei-10-2021