Naukowcy z NTNU badają materiały magnetyczne w małej skali, tworząc filmy za pomocą niezwykle jasnych promieni rentgenowskich.
Erik Folven, współdyrektor grupy elektroniki tlenkowej w Katedrze Systemów Elektronicznych NTNU, wraz z kolegami z NTNU i Uniwersytetu w Gandawie w Belgii, postanowili zbadać, jak cienkowarstwowe mikromagnesy zmieniają się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Praca, częściowo finansowana przez NTNU Nano i Radę ds. Badań Naukowych Norwegii, została opublikowana w czasopiśmie „Physical Review Research”.
Malutkie magnesy
Einar Standal Digernes wynalazł maleńkie kwadratowe magnesy używane w eksperymentach.
Te maleńkie kwadratowe magnesy, stworzone przez doktoranta NTNU, Einara Standala Digernesa, mają zaledwie dwa mikrometry szerokości i są podzielone na cztery trójkątne domeny, z których każda ma inną orientację magnetyczną zwróconą zgodnie lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara wokół magnesów.
W niektórych materiałach magnetycznych mniejsze grupy atomów łączą się w obszary zwane domenami, w których wszystkie elektrony mają taką samą orientację magnetyczną.
W magnesach NTNU domeny te spotykają się w centralnym punkcie — jądrze wirowym — gdzie moment magnetyczny jest skierowany bezpośrednio do wewnątrz lub na zewnątrz płaszczyzny materiału.
„Kiedy przyłożymy pole magnetyczne, coraz więcej tych domen będzie skierowanych w tym samym kierunku” – mówi Folven. „Mogą rosnąć i kurczyć się, a potem łączyć się ze sobą”.
Elektrony poruszają się z prędkością niemal równą prędkości światła
Obserwowanie tego zjawiska nie jest łatwe. Naukowcy przenieśli swoje mikromagnesy do 80-metrowego synchrotronu w kształcie torusa, znanego jako BESSY II, w Berlinie, gdzie elektrony są przyspieszane do prędkości bliskiej prędkości światła. Te szybko poruszające się elektrony emitują następnie niezwykle jasne promieniowanie rentgenowskie.
„Pobieramy te promienie rentgenowskie i wykorzystujemy je jako światło w naszym mikroskopie” – mówi Folven.
Ponieważ elektrony przemieszczają się w synchrotronie w pęczkach, w odstępach dwóch nanosekund, emitowane przez nie promienie rentgenowskie pojawiają się w precyzyjnych impulsach.
Skaningowy transmisyjny mikroskop rentgenowski, czyli STXM, wykorzystuje te promienie rentgenowskie, aby stworzyć migawkę struktury magnetycznej materiału. Łącząc te migawki, naukowcy mogą w zasadzie stworzyć film pokazujący, jak mikromagnes zmienia się w czasie.
Za pomocą STXM Folven i jego współpracownicy zakłócili mikromagnesy impulsem prądu, który wytworzył pole magnetyczne, i zaobserwowali zmianę kształtu domen oraz ruch jądra wirowego od środka.
„Masz bardzo mały magnes, a potem go szturchasz i próbujesz sobie wyobrazić, jak się osiada” – mówi. Później zobaczyli, jak jądro wraca do środka – ale po krętej ścieżce, a nie po linii prostej.
„To będzie swego rodzaju powrót do środka” – mówi Folven.
Jeden poślizg i koniec
Dzieje się tak, ponieważ badają materiały epitaksjalne, które powstają na podłożu pozwalającym naukowcom modyfikować właściwości materiału, ale blokującym promienie rentgenowskie w STXM.
Pracując w NTNU NanoLab, naukowcy rozwiązali problem podłoża poprzez zakopanie mikromagnesu pod warstwą węgla, aby chronić jego właściwości magnetyczne.
Następnie ostrożnie i precyzyjnie odłupywali podłoże za pomocą skupionej wiązki jonów galu, aż pozostała tylko bardzo cienka warstwa. Ten żmudny proces mógł trwać osiem godzin na próbkę – a jedno potknięcie mogło oznaczać katastrofę.
„Kluczem jest to, że jeśli zabijemy ten magnetyzm, nie dowiemy się tego, zanim nie znajdziemy się w Berlinie” – mówi. „Sztuka polega oczywiście na tym, żeby zabrać ze sobą więcej niż jedną próbkę”.
Od fizyki fundamentalnej do urządzeń przyszłości
Na szczęście zadziałało, a zespół wykorzystał starannie przygotowane próbki do zobrazowania, jak domeny mikromagnesu rosną i kurczą się w czasie. Stworzyli również symulacje komputerowe, aby lepiej zrozumieć, jakie siły działają.
Oprócz pogłębienia naszej wiedzy z zakresu fizyki fundamentalnej, zrozumienie działania magnetyzmu w tych skalach długości i czasu może okazać się pomocne w konstruowaniu przyszłych urządzeń.
Magnetyzm jest już wykorzystywany do przechowywania danych, ale naukowcy poszukują obecnie sposobów na jego dalsze wykorzystanie. Na przykład orientacje magnetyczne rdzenia wirowego i domen mikromagnesu mogłyby posłużyć do kodowania informacji w postaci zer i jedynek.
Naukowcy zamierzają teraz powtórzyć te badania z materiałami antyferromagnetycznymi, w których sumaryczny efekt poszczególnych momentów magnetycznych znosi się. Są one obiecujące pod względem obliczeniowym – teoretycznie materiały antyferromagnetyczne mogłyby zostać wykorzystane do budowy urządzeń, które zużywają mało energii i pozostają stabilne nawet po zaniku zasilania – ale znacznie trudniej je zbadać, ponieważ generowane przez nie sygnały będą znacznie słabsze.
Pomimo tego wyzwania Folven jest optymistą. „Zrobiliśmy pierwszy krok, pokazując, że potrafimy wytwarzać próbki i przeglądać je za pomocą promieni rentgenowskich” – mówi. „Następnym krokiem będzie sprawdzenie, czy potrafimy wytwarzać próbki o wystarczająco wysokiej jakości, aby uzyskać wystarczający sygnał z materiału antyferromagnetycznego”.
Czas publikacji: 10 maja 2021 r.