Onderzoekers van NTNU werpen licht op magnetische materialen op kleine schaal door middel van films die gemaakt zijn met behulp van extreem heldere röntgenstralen.
Erik Folven, mededirecteur van de oxide-elektronicagroep bij de afdeling Elektronische Systemen van de NTNU, en collega's van de NTNU en de Universiteit Gent in België onderzochten hoe dunne-film-micromagneten veranderen wanneer ze worden beïnvloed door een extern magnetisch veld. Het onderzoek, dat gedeeltelijk werd gefinancierd door NTNU Nano en de Noorse Onderzoeksraad, werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Research.
Kleine magneetjes
Einar Standal Digernes heeft de kleine vierkante magneten uitgevonden die in de experimenten werden gebruikt.
De minuscule vierkante magneten, gemaakt door NTNU-promovendus Einar Standal Digernes, zijn slechts twee micrometer breed en verdeeld 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 vormen kleinere groepen atomen samen gebieden die domeinen worden genoemd, waarin alle elektronen dezelfde magnetische oriëntatie hebben.
In de NTNU-magneten komen deze domeinen samen in een centraal punt – de vortexkern – waar het magnetische moment rechtstreeks 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 krimpen, en vervolgens kunnen ze in elkaar overvloeien."
Elektronen bewegen zich bijna met de lichtsnelheid voort.
Dit is niet makkelijk te zien gebeuren. De onderzoekers namen hun micromagneten mee naar een 80 meter brede, donutvormige synchrotron, bekend als BESSY II, in Berlijn, waar elektronen worden versneld tot ze bijna de lichtsnelheid bereiken. Deze snel bewegende elektronen zenden vervolgens extreem heldere röntgenstraling uit.
"We gebruiken deze röntgenstralen als lichtbron voor onze microscoop," zegt Folven.
Doordat elektronen in bundels met tussenpozen van twee nanoseconden door het synchrotron bewegen, worden de röntgenstralen die ze uitzenden in precieze pulsen geproduceerd.
Een scanning transmissie röntgenmicroscoop, ofwel STXM, gebruikt die röntgenstralen om een momentopname te maken van de magnetische structuur van het materiaal. Door deze momentopnamen aan elkaar te plakken, kunnen de onderzoekers in feite 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 opwekte, en zagen ze de domeinen van vorm veranderen en de vortexkern zich van het centrum verwijderen.
"Je hebt een heel klein magneetje, en dan prik je erin en probeer je een beeld te vormen van hoe het weer tot rust komt," zegt hij. Daarna zagen ze de kern terugkeren naar het midden, maar langs een kronkelend pad, niet in een rechte lijn.
"Het zal als het ware weer naar het midden terugkeren," zegt Folven.
Eén misstap en het is voorbij.
Dat komt omdat ze epitaxiale materialen bestuderen, die worden gecreëerd op een substraat waarmee onderzoekers de eigenschappen van het materiaal kunnen aanpassen, maar dat de röntgenstralen in een STXM zou blokkeren.
De onderzoekers, werkzaam in het NTNU NanoLab, losten het substraatprobleem op door hun micromagneet onder een koolstoflaag te begraven om de magnetische eigenschappen te beschermen.
Vervolgens verwijderden ze zorgvuldig en nauwkeurig het onderliggende substraat met een gerichte bundel galliumionen, totdat er slechts een zeer dunne laag overbleef. Dit moeizame proces kon wel acht uur per monster in beslag nemen, en één foutje kon desastreus zijn.
"Het cruciale punt is dat als je het magnetisme uitschakelt, we dat pas weten als we in Berlijn zitten", zegt hij. "De truc is natuurlijk om meer dan één monster mee te nemen."
Van fundamentele natuurkunde tot toekomstige apparaten
Gelukkig werkte het, en het team gebruikte hun zorgvuldig geprepareerde monsters om in kaart te brengen hoe de domeinen van de micromagneet in de loop van de tijd groeien en krimpen. Ze maakten ook computersimulaties om beter te begrijpen welke krachten er speelden.
Naast het vergroten van onze kennis van fundamentele natuurkunde, kan inzicht in hoe magnetisme werkt op deze lengte- en tijdschalen nuttig zijn bij het ontwikkelen van toekomstige apparaten.
Magnetisme wordt al gebruikt voor dataopslag, maar onderzoekers zoeken momenteel naar manieren om het verder te benutten. De magnetische oriëntaties van de vortexkern en domeinen van een micromagneet zouden bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om informatie te coderen in de vorm van 0en en 1en.
De onderzoekers willen dit werk nu herhalen met antiferromagnetische materialen, waarbij het netto-effect van de individuele magnetische momenten elkaar opheft. Deze materialen zijn veelbelovend voor computertoepassingen – in theorie zouden antiferromagnetische materialen gebruikt kunnen worden om apparaten te maken die weinig energie verbruiken en stabiel blijven, zelfs bij stroomuitval – maar ze zijn veel lastiger te onderzoeken omdat de signalen die ze produceren veel zwakker zullen zijn.
Ondanks die uitdaging is Folven optimistisch. "We hebben de eerste stap gezet door aan te tonen dat we monsters kunnen maken en die met röntgenstralen kunnen bekijken", zegt hij. "De volgende stap is om te kijken of we monsters van voldoende hoge kwaliteit kunnen maken om genoeg signaal van een antiferromagnetisch materiaal te verkrijgen."
Geplaatst op: 10 mei 2021