Onderzoekers van de NTNU werpen licht op magnetische materialen op kleine schaal door films te maken met behulp van extreem heldere röntgenstraling.
Erik Folven, codirecteur van de oxide-elektronicagroep van de afdeling Elektronische Systemen van de NTNU, en collega's van de NTNU en de Universiteit Gent in België onderzochten hoe dunnefilmmicromagneten veranderen wanneer ze worden verstoord door een extern magnetisch veld. Het werk, mede gefinancierd door NTNU Nano en de Onderzoeksraad van Noorwegen, werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Research.
Kleine magneten
Einar Standal Digernes was de uitvinder van de kleine vierkante magneten die bij de experimenten werden gebruikt.
De kleine vierkante magneten, gemaakt door NTNU-promovendus Einar Standal Digernes, zijn slechts twee micrometer breed en verdeeld in vier driehoekige domeinen. Elk domein heeft 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 zich samen in gebieden die domeinen worden genoemd. Hierin hebben alle elektronen dezelfde magnetische oriëntatie.
In de NTNU-magneten komen deze domeinen samen op een centraal punt: de vortexkern, waar het magnetische moment direct in of uit het vlak van het materiaal wijst.
"Wanneer we een magnetisch veld aanleggen, zullen steeds meer van deze domeinen in dezelfde richting wijzen", zegt Folven. "Ze kunnen groeien en krimpen, en dan kunnen ze in elkaar overgaan."
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 tot ze bijna de lichtsnelheid bereiken. Die snel bewegende elektronen zenden vervolgens extreem heldere röntgenstraling uit.
"We nemen deze röntgenstralen en gebruiken ze als licht in onze microscoop", zegt Folven.
Omdat elektronen in bundels met een tussenpoos van twee nanoseconden rond het synchrotron bewegen, zenden ze röntgenstralen uit in precieze pulsen.
Een scanning transmissie röntgenmicroscoop, of 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 genereerde. Ze zagen hoe de domeinen van vorm veranderden en de vortexkern zich van het centrum verwijderde.
"Je hebt een heel klein magneetje, en dan prik je erin en probeer je het in beeld te brengen terwijl 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 terug naar het midden dansen", zegt Folven.
Eén misstap en het is voorbij
Dat komt omdat ze epitaxiale materialen bestuderen. Deze materialen worden gemaakt op een substraat waarmee onderzoekers de eigenschappen van het materiaal kunnen aanpassen. In een STXM zouden deze substraten echter de röntgenstraling blokkeren.
In het NTNU NanoLab hebben de onderzoekers het substraatprobleem opgelost door hun micromagneet onder een laag koolstof te begraven om de magnetische eigenschappen te beschermen.
Vervolgens hakten ze voorzichtig en nauwkeurig het onderliggende substraat weg met een gerichte bundel galliumionen, totdat er nog maar een heel dun laagje overbleef. Dit moeizame proces kon wel acht uur per monster duren – en één misstap kon rampzalig 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 voorbereide 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 optraden.
Begrip van de werking van magnetisme op deze lengte- en tijdschalen vergroot niet alleen onze kennis van de fundamentele natuurkunde, maar kan ook nuttig zijn bij het creëren 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 nullen en enen.
De onderzoekers willen dit werk nu herhalen met antiferromagnetische materialen, waarbij het netto-effect van de individuele magnetische momenten elkaar opheft. Deze zijn veelbelovend op het gebied van computergebruik – 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 te laten zien dat we monsters kunnen maken en er met röntgenstraling doorheen kunnen kijken", zegt hij. "De volgende stap is om te kijken of we monsters van voldoende hoge kwaliteit kunnen maken om voldoende signaal uit een antiferromagnetisch materiaal te halen."
Geplaatst op: 10 mei 2021