Naukowcy z NTNU rzucają światło na materiały magnetyczne w małych skalach, tworząc filmy za pomocą wyjątkowo jasnych promieni rentgenowskich.
Erik Folven, współreżyser grupy elektroniki tlenku w Departamencie systemów elektronicznych NTNU, oraz współpracownicy z NTNU i Ghent University w Belgii, postanowili zobaczyć, jak zmieniają się mikromagnety cienkopiętrowe, gdy są zakłócone przez zewnętrzne pole magnetyczne. Prace, częściowo finansowane przez NTNU Nano i Radę Research Norwegii, została opublikowana w czasopiśmie Physical Review Research.
Małe magnesy
Einar samodzielne Digernes wynalazł małe kwadratowe magnesy stosowane w eksperymentach.
Małe magnesy kwadratowe, utworzone przez doktorat NTNU. Kandydat Einar niezależne digernes, mają tylko dwa mikrometry szerokości i podzielone na cztery domeny trójkątne, każda z inną orientacją magnetyczną skierowaną zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
W niektórych materiałach magnetycznych mniejsze grupy atomów łączą się w obszary zwane domenami, w których wszystkie elektrony mają tę samą orientację magnetyczną.
W magnesach NTNU domeny te spotykają się w centralnym punkcie - rdzeniu wiru - gdzie moment magnetyczny wskazuje bezpośrednio lub poza płaszczyzną materiału.
„Kiedy stosujemy pole magnetyczne, coraz więcej z tych domen będzie wskazywać w tym samym kierunku”, mówi Folven. „Mogą się rozwijać i mogą się kurczyć, a potem mogą się ze sobą połączyć”.
Elektrony prawie z prędkością światła
Widząc to, nie jest łatwe. Naukowcy zabrali swoje mikromagnety do synchrotronu w kształcie pączku w kształcie 80 m, znanym jako Bessy II, w Berlinie, gdzie elektrony są przyspieszane, dopóki nie przemieszczają się z prawie prędkością światła. Te szybko poruszające się elektrony emitują następnie wyjątkowo jasne promienie rentgenowskie.
„Bierzemy te zdjęcia rentgenowskie i używamy ich jako światła w naszym mikroskopie”, mówi Folven.
Ponieważ elektrony przemieszczają się po synchrotronie w wiązkach oddzielonych dwoma nanosekundami, promieniowanie, które emitują, mają precyzyjne impulsy.
Skanujący mikroskop rentgenowski lub STXM bierze te promienie rentgenowskie, aby stworzyć migawkę struktury magnetycznej materiału. Szygując ze sobą te migawki, naukowcy mogą zasadniczo stworzyć film pokazujący, jak zmienia się mikromagnet w czasie.
Z pomocą STXM Folven i jego koledzy zakłócili mikromagnety za pomocą pulsu prądu, który wygenerował pole magnetyczne i zobaczyli, że domeny zmieniło kształt, a rdzeń wirowy poruszał się z środka.
„Masz bardzo mały magnes, a potem szturchasz go i próbujesz go wyobrazić, gdy znów się osiada” - mówi. Następnie zobaczyli, że rdzeń powrócił na środek - ale wzdłuż krętej ścieżki, a nie linii prostej.
„W pewnym sensie tańczy z powrotem do centrum” - mówi Folven.
Jeden poślizg i to koniec
To dlatego, że badają materiały epitaksjalne, które są tworzone na podłożu, który pozwala badaczom dostosować właściwości materiału, ale blokowałyby promienie rentgenowskie w STXM.
Pracując w NTNU Nanolab, naukowcy rozwiązali problem podłoża, zakopując mikromagnet pod warstwą węgla w celu ochrony jego właściwości magnetycznych.
Następnie ostrożnie i precyzyjnie oderwali podłoże pod spodem skoncentrowaną wiązką jonów galu, aż pozostanie tylko bardzo cienka warstwa. Proces żmudny może potrwać osiem godzin na próbkę - a jedna poślizg może oznaczać katastrofę.
„Kluczowe jest to, że jeśli zabijesz magnetyzm, nie będziemy o tym wiedzieć, zanim siedzimy w Berlinie” - mówi. „Sztuką jest oczywiście przyniesienie więcej niż jednej próbki”.
Od podstawowej fizyki po przyszłe urządzenia
Na szczęście zadziałało, a zespół wykorzystał swoje starannie przygotowane próbki, aby z czasem wytyczyć domeny Micromagnet i kurczą się. Stworzyli także symulacje komputerowe, aby lepiej zrozumieć, jakie siły działają.
Oprócz rozwijania naszej wiedzy na temat fundamentalnej fizyki, zrozumienie, jak działa magnetyzm na taką długość i czas, może być pomocne w tworzeniu przyszłych urządzeń.
Magnetyzm jest już używany do przechowywania danych, ale naukowcy szukają obecnie sposobów dalszego wykorzystania go. Na przykład orientacje magnetyczne rdzenia wirowego i domeny mikromagnetu mogłyby być być może użyte do kodowania informacji w postaci 0 i 1.
Naukowcy zamierzają teraz powtórzyć tę pracę z materiałami przeciwferromagnetycznymi, w których anuluje się efekt netto poszczególnych momentów magnetycznych. Są one obiecujące, jeśli chodzi o przetwarzanie-w teorii materiały antyferromagnetyczne mogą być używane do tworzenia urządzeń wymagających niewielkiej energii i pozostania stabilnym, nawet gdy moc zostanie utracona-ale znacznie trudniejsze do zbadania, ponieważ wytwarzane przez nich sygnały będą znacznie słabsze.
Pomimo tego wyzwania Folven jest optymistą. „Omówiliśmy pierwszy grunt, pokazując, że możemy zrobić próbki i przeglądać je za pomocą promieni rentgenowskich”-mówi. „Następnym krokiem będzie sprawdzenie, czy możemy zrobić próbki wystarczająco wysokiej jakości, aby uzyskać wystarczającą liczbę sygnałów z materiału przeciw ferromagnetycznego”.
Czas po: 10-2021