Onderzoekers van NTNU werpen op kleine schaal licht op magnetische materialen door films te maken met behulp van extreem heldere röntgenstralen.
Erik Folven, mededirecteur van de oxide-elektronicagroep bij de afdeling Elektronische Systemen van NTNU, en collega's van NTNU en de Universiteit Gent in België, gingen kijken hoe dunnefilmmicromagneten veranderen wanneer ze worden verstoord door een extern magnetisch veld.Het werk, gedeeltelijk gefinancierd door NTNU Nano en de Onderzoeksraad van Noorwegen, werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Research.
Kleine magneten
Einar Standal Digernes vond de kleine vierkante magneten uit die bij de experimenten werden gebruikt.
De kleine vierkante magneten, gemaakt door NTNU Ph.D.kandidaat Einar Standal Digernes, zijn slechts twee micrometer breed en 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 verbinden kleinere groepen atomen zich in gebieden die domeinen worden genoemd, waarin alle elektronen dezelfde magnetische oriëntatie hebben.
Bij 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.
“Als 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 brachten hun micromagneten 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 zenden vervolgens extreem heldere röntgenstralen uit.
“We nemen deze röntgenfoto’s en gebruiken ze als licht in onze microscoop”, zegt Folven.
Omdat elektronen in bundels rond de synchrotron reizen, gescheiden door twee nanoseconden, komen de röntgenstralen die ze uitzenden in precieze pulsen.
Een röntgenmicroscoop met scanningtransmissie, of STXM, maakt van deze röntgenstralen een momentopname 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, en zagen ze de domeinen van vorm veranderen en de vortexkern vanuit het midden bewegen.
"Je hebt een heel klein magneetje, en dan prik je erin en probeer je het voor te stellen terwijl het weer tot rust komt", zegt hij.Daarna zagen ze de kern terugkeren naar het midden, maar langs een kronkelend pad, geen rechte lijn.
"Het danst een beetje terug naar het midden", zegt Folven.
Eén 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 röntgenstralen in een STXM zouden blokkeren.
De onderzoekers werkten in NTNU NanoLab en losten het substraatprobleem op door hun micromagneet onder een laag koolstof te begraven om de magnetische eigenschappen ervan te beschermen.
Vervolgens hakten ze het onderliggende substraat voorzichtig en nauwkeurig weg met een gefocusseerde straal galliumionen totdat er slechts een heel dun laagje overbleef.Het moeizame proces kan per monster acht uur duren, en één fout kan een ramp betekenen.
"Het cruciale punt 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 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 creëerden ook computersimulaties om beter te begrijpen welke krachten er aan het werk waren.
Naast het vergroten van onze kennis van de fundamentele natuurkunde, zou het begrijpen van hoe magnetisme op deze lengte- en tijdschalen werkt ook nuttig kunnen zijn bij het creëren van toekomstige apparaten.
Magnetisme wordt al gebruikt voor gegevensopslag, maar onderzoekers zoeken momenteel naar manieren om het verder te exploiteren.De magnetische oriëntaties van de vortexkern en domeinen van een micromagneet kunnen bijvoorbeeld misschien worden gebruikt om informatie in de vorm van nullen en enen te coderen.
De onderzoekers streven er nu naar dit werk te herhalen met anti-ferromagnetische materialen, waarbij het netto-effect van de individuele magnetische momenten teniet wordt gedaan.Deze zijn veelbelovend als het om computers gaat – in theorie zouden anti-ferromagnetische materialen kunnen worden gebruikt om apparaten te maken die weinig energie nodig hebben en stabiel blijven, zelfs als de stroom uitvalt – 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 stap gezet door te laten zien dat we monsters kunnen maken en er met röntgenfoto’s doorheen kunnen kijken”, zegt hij.“De volgende stap zal zijn om te kijken of we monsters van voldoende hoge kwaliteit kunnen maken om voldoende signaal uit een anti-ferromagnetisch materiaal te halen.”
Posttijd: 10 mei 2021