Forskere fra NTNU kaster lys over magnetiske materialer i små skalaer ved å lage filmer ved hjelp av noen ekstremt skarpe røntgenstråler.
Erik Folven, meddirektør for oksidelektronikkgruppen ved NTNUs avdeling for elektroniske systemer, og kolleger fra NTNU og Ghent University i Belgia satte i gang for å se hvordan tynnfilmsmikromagneter endres når de forstyrres av et magnetfelt utenfor.Arbeidet, delvis finansiert av NTNU Nano og Norges forskningsråd, ble publisert i tidsskriftet Physical Review Research.
Små magneter
Einar Standal Digernes oppfant de bittesmå firkantede magnetene som ble brukt i forsøkene.
De bittesmå firkantede magnetene, laget av NTNU Ph.D.kandidat Einar Standal Digernes, er bare to mikrometer brede og delt inn i fire trekantede domener, hver med ulik magnetisk orientering som peker med eller mot klokken rundt magnetene.
I visse magnetiske materialer binder mindre grupper av atomer seg sammen til områder som kalles domener, der alle elektronene har samme magnetiske orientering.
I NTNU-magnetene møtes disse domenene i et sentralt punkt – virvelkjernen – der det magnetiske momentet peker direkte inn eller ut av materialets plan.
"Når vi bruker et magnetfelt, vil flere og flere av disse domenene peke i samme retning," sier Folven."De kan vokse og de kan krympe, og så kan de smelte sammen i hverandre."
Elektroner nesten med lysets hastighet
Det er ikke lett å se dette skje.Forskerne tok med mikromagnetene sine til en 80 m bred smultringformet synkrotron, kjent som BESSY II, i Berlin, hvor elektronene akselereres til de beveger seg med nesten lysets hastighet.Disse raskt bevegelige elektronene sender ut ekstremt lyse røntgenstråler.
– Vi tar disse røntgenbildene og bruker dem som lys i mikroskopet vårt, sier Folven.
Fordi elektroner reiser rundt synkrotronen i bunter atskilt med to nanosekunder, kommer røntgenstrålene de sender ut i presise pulser.
Et røntgenmikroskop med skanningsoverføring, eller STXM, tar disse røntgenstrålene for å lage et øyeblikksbilde av materialets magnetiske struktur.Ved å sy sammen disse øyeblikksbildene kan forskerne i hovedsak lage en film som viser hvordan mikromagneten endres over tid.
Ved hjelp av STXM forstyrret Folven og hans kolleger mikromagnetene sine med en strømpuls som genererte et magnetfelt, og så domenene endre form og virvelkjernen bevege seg fra sentrum.
"Du har en veldig liten magnet, og så stikker du i den og prøver å avbilde den når den legger seg igjen," sier han.Etterpå så de kjernen gå tilbake til midten – men langs en svingete sti, ikke en rett linje.
"Det vil liksom danse tilbake til sentrum," sier Folven.
En slip og det er over
Det er fordi de studerer epitaksiale materialer, som er laget på toppen av et substrat som lar forskere justere egenskapene til materialet, men som vil blokkere røntgenstrålene i en STXM.
Ved å jobbe i NTNU NanoLab løste forskerne substratproblemet ved å begrave mikromagneten sin under et lag med karbon for å beskytte dens magnetiske egenskaper.
Deretter fliset de forsiktig og presist bort substratet under med en fokusert stråle av galliumioner til bare et veldig tynt lag var igjen.Den møysommelige prosessen kan ta åtte timer per prøve - og en utglidning kan bety katastrofe.
"Det kritiske er at hvis du dreper magnetismen, vil vi ikke vite det før vi sitter i Berlin," sier han."Trikset er selvfølgelig å ta med mer enn én prøve."
Fra grunnleggende fysikk til fremtidige enheter
Heldigvis fungerte det, og teamet brukte sine nøye forberedte prøver for å kartlegge hvordan mikromagnetens domener vokser og krymper over tid.De laget også datasimuleringer for bedre å forstå hvilke krefter som virket.
I tillegg til å fremme vår kunnskap om grunnleggende fysikk, kan det være nyttig å forstå hvordan magnetisme fungerer på disse lengde- og tidsskalaene for å lage fremtidige enheter.
Magnetisme brukes allerede til datalagring, men forskere leter for tiden etter måter å utnytte den videre.De magnetiske orienteringene til virvelkjernen og domenene til en mikromagnet, for eksempel, kan kanskje brukes til å kode informasjon i form av 0-er og 1-ere.
Forskerne tar nå sikte på å gjenta dette arbeidet med anti-ferromagnetiske materialer, hvor nettoeffekten av de individuelle magnetiske momentene opphever seg.Disse er lovende når det kommer til databehandling – i teorien kan anti-ferromagnetiske materialer brukes til å lage enheter som krever lite energi og forblir stabile selv når strømmen går tapt – men mye vanskeligere å undersøke fordi signalene de produserer vil være mye svakere .
Til tross for den utfordringen er Folven optimistisk."Vi har dekket den første bakken ved å vise at vi kan lage prøver og se gjennom dem med røntgenstråler," sier han."Neste trinn vil være å se om vi kan lage prøver av tilstrekkelig høy kvalitet til å få nok signal fra et anti-ferromagnetisk materiale."
Innleggstid: 10. mai 2021