Forskere fra NTNU belyser magnetiske materialer i liten skala ved å lage filmer ved hjelp av ekstremt lyse røntgenstråler.
Erik Folven, meddirektør for oksidelektronikkgruppen ved NTNUs Institutt for elektroniske systemer, og kolleger fra NTNU og Ghent Universitet i Belgia, satte seg fore å se hvordan tynnfilmmikromagneter endrer seg når de forstyrres av et eksternt magnetfelt. Arbeidet, delvis finansiert av NTNU Nano og Norges forskningsråd, ble publisert i tidsskriftet Physical Review Research.
Små magneter
Einar Standal Digernes oppfant de små firkantede magnetene som ble brukt i eksperimentene.
De bittesmå firkantede magnetene, laget av NTNU-doktorgradskandidat Einar Standal Digernes, er bare to mikrometer brede og delt inn i fire trekantede domener, hver med forskjellig magnetisk orientering som peker med eller mot klokken rundt magnetene.
I visse magnetiske materialer binder mindre grupper av atomer seg sammen i områder kalt domener, der alle elektronene har samme magnetiske orientering.
I NTNU-magnetene møtes disse domenene i et sentralt punkt – virvelkjernen – hvor 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.»
Elektroner nesten med lysets hastighet
Det er ikke lett å se dette skje. Forskerne tok mikromagnetene sine med til en 80 meter bred, smultringformet synkrotron, kjent som BESSY II, i Berlin, hvor elektroner akselereres til de beveger seg med nesten lysets hastighet. Disse raskt bevegelige elektronene sender deretter ut ekstremt lyse røntgenstråler.
«Vi tar disse røntgenstrålene og bruker dem som lys i mikroskopet vårt», sier Folven.
Fordi elektroner beveger seg rundt synkrotronen i bunter atskilt med to nanosekunder, kommer røntgenstrålene de sender ut i presise pulser.
Et skanningstransmisjonsrøntgenmikroskop, eller STXM, tar disse røntgenstrålene for å lage et øyeblikksbilde av materialets magnetiske struktur. Ved å sette disse øyeblikksbildene sammen kan forskerne i hovedsak lage en film som viser hvordan mikromagneten endrer seg over tid.
Ved hjelp av STXM forstyrret Folven og kollegene hans 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 pirker du i den og prøver å avbilde den mens den legger seg igjen», sier han. Etterpå så de kjernen gå tilbake til midten – men langs en svingete bane, ikke en rett linje.
«Det vil liksom danse tilbake til sentrum», sier Folven.
En glipp, og det er over
Det er fordi de studerer epitaksiale materialer, som er laget på toppen av et substrat som lar forskere justere materialets egenskaper, men som ville blokkere røntgenstrålene i en STXM.
Forskerne jobbet i NTNU NanoLab og løste substratproblemet ved å begrave mikromagneten sin under et lag med karbon for å beskytte dens magnetiske egenskaper.
Så fliset de forsiktig og presist bort substratet under med en fokusert stråle av galliumioner inntil bare et veldig tynt lag var igjen. Den møysommelige prosessen kunne ta åtte timer per prøve – og én feil kunne bety katastrofe.
«Det kritiske er at hvis vi dreper magnetismen, vet vi ikke det før vi sitter i Berlin», sier han. «Trikset er selvfølgelig å ta med mer enn én prøve.»
Fra grunnleggende fysikk til fremtidens enheter
Heldigvis fungerte det, og teamet brukte de nøye forberedte prøvene sine til å kartlegge hvordan mikromagnetens domener vokser og krymper over tid. De lagde også datasimuleringer for å bedre forstå hvilke krefter som var i arbeid.
I tillegg til å forbedre 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 ser for tiden etter måter å utnytte det ytterligere på. De magnetiske orienteringene til virvelkjernen og domenene til en mikromagnet kan for eksempel kanskje brukes til å kode informasjon i form av 0s og 1s.
Forskerne tar nå sikte på å gjenta dette arbeidet med antiferromagnetiske materialer, der nettoeffekten av de individuelle magnetiske momentene kansellerer ut. Disse er lovende når det gjelder databehandling – i teorien kan antiferromagnetiske materialer brukes til å lage enheter som krever lite energi og forblir stabile selv når strømmen går – men mye vanskeligere å undersøke fordi signalene de produserer vil være mye svakere.
Til tross for denne utfordringen er Folven optimistisk. «Vi har dekket det første steget ved å vise at vi kan lage prøver og se gjennom dem med røntgenstråler», sier han. «Det neste steget blir å se om vi kan lage prøver av tilstrekkelig høy kvalitet til å få nok signal fra et antiferromagnetisk materiale.»
Publiseringstid: 10. mai 2021