Forskere fra NTNU kaster lys over magnetiske materialer i små skalaer ved å lage filmer ved hjelp av noen ekstremt lyse røntgenbilder.
Erik Folven, meddirektør for Oxide Electronics Group ved NTNUs Department of Electronic Systems, og kolleger fra NTNU og Ghent University i Belgia, satte seg for å se hvordan tynnfilmmikromagneter endres når de forstyrres av et magnetfelt utenfor. Arbeidet, delvis finansiert av NTNU Nano og Research Council of Norway, ble publisert i tidsskriftet Physical Review Research.
Bittesmå magneter
Einar frittstående igerner oppfant de bittesmå firkantede magnetene som ble brukt i eksperimentene.
De bittesmå firkantede magnetene, laget av NTNU Ph.D. Kandidat Einar frittstående igerner, er bare to mikrometer brede og delt i fire trekantede domener, hver med en annen magnetisk orientering som peker med klokken eller mot klokken rundt magnetene.
I visse magnetiske materialer båndet mindre atomer av atomer sammen til områder som kalles domener, der alle elektronene har samme magnetiske orientering.
I NTNU -magnetene møtes disse domenene på et sentralt punkt - virvelkjernen - der det magnetiske øyeblikket 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 slå seg sammen til hverandre."
Elektroner nesten med lysets hastighet
Å se dette skje er ikke lett. Forskerne tok mikromagneter til en 80 m bred smultring-formet synkrotron, kjent som Bessy II, i Berlin, der elektroner blir akselerert til de reiser med nesten lysets hastighet. De raskt bevegelige elektronene avgir deretter ekstremt lyse røntgenbilder.
"Vi tar disse røntgenbildene og bruker dem som lys i mikroskopet vårt," sier Folven.
Fordi elektroner reiser rundt synkrotronet i bunter atskilt med to nanosekunder, kommer røntgenstrålene de avgir i presise pulser.
Et skanning av røntgenmikroskop på overføring, eller STXM, tar disse røntgenstrålene for å lage et øyeblikksbilde av materialets magnetiske struktur. Ved å sy disse øyeblikksbildene sammen, kan forskerne i hovedsak lage en film som viser hvordan mikromagneten endres over tid.
Ved hjelp av STXM forstyrret Folven og kollegene deres mikromagneter 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 pirker du den og prøver å avbilde den når den legger seg igjen," sier han. Etterpå så de kjernen komme tilbake til midten - men langs en svingete sti, ikke en rett linje.
"Det vil slags danse tilbake til sentrum," sier Folven.
En glipp og det er over
Det er fordi de studerer epitaksiale materialer, som er opprettet på toppen av et underlag som lar forskere finjustere egenskapene til materialet, men vil blokkere røntgenstrålene i en STXM.
Forskerne i NTNU nanolab løste forskerne underlagsproblemet ved å begrave mikromagneten deres under et lag med karbon for å beskytte dets magnetiske egenskaper.
Så fliset de forsiktig og nøyaktig bort underlaget under med en fokusert bjelke av galliumioner til bare et veldig tynt lag gjensto. Den møysommelige prosessen kan ta åtte timer per prøve - og en glidning kan stave 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 bringe mer enn en prøve."
Fra grunnleggende fysikk til fremtidige enheter
Heldigvis fungerte det, og teamet brukte sine nøye forberedte prøver for å kartlegge hvordan Micromagnets domener vokser og krymper over tid. De opprettet også datasimuleringer for å bedre forstå hvilke krefter som var på jobb.
I tillegg til å fremme vår kunnskap om grunnleggende fysikk, kan det å forstå hvordan magnetisme fungerer på denne lengden og tidsskalaene være nyttige for å skape 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 0s og 1s.
Forskerne tar nå sikte på å gjenta dette arbeidet med anti-ferromagnetiske materialer, der nettoeffekten av de individuelle magnetiske øyeblikkene kansellerer ut. Disse er lovende når det gjelder databehandling-i teori kan anti-ferromagnetiske materialer brukes til å lage enheter som krever lite energi og forbli 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 røntgenbilder," 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."
Post Time: Mai-10-2021