Naukowcy z NTNU rzucają światło na materiały magnetyczne w małych skalach, tworząc filmy za pomocą niezwykle jasnych promieni rentgenowskich.
Erik Folven, współdyrektor grupy elektroniki tlenkowej na Wydziale Systemów Elektronicznych NTNU oraz koledzy z NTNU i Uniwersytetu w Gandawie w Belgii postanowili sprawdzić, jak zmieniają się mikromagnesy cienkowarstwowe pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.Wyniki pracy, częściowo sfinansowanej przez NTNU Nano i Norweską Radę ds. Badań, opublikowano w czasopiśmie Physical Review Research.
Malutkie magnesy
Einar Standal Digernes wynalazł małe kwadratowe magnesy używane w eksperymentach.
Malutkie kwadratowe magnesy, stworzone przez dr NTNU Ph.D.kandydata Einara Standala Digernesa, mają zaledwie dwa mikrometry szerokości i są podzielone na cztery trójkątne domeny, każda o innej orientacji magnetycznej, skierowanej w prawo lub w lewo wokół magnesów.
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 wirowym – gdzie moment magnetyczny wskazuje bezpośrednio na płaszczyznę materiału lub poza nią.
„Kiedy zastosujemy pole magnetyczne, coraz więcej tych domen będzie skierowanych w tym samym kierunku” – mówi Folven.„Mogą rosnąć i mogą się kurczyć, a następnie mogą połączyć się ze sobą.”
Elektrony niemal z prędkością światła
Obserwowanie tego nie jest łatwe.Naukowcy przenieśli swoje mikromagnesy do szerokiego na 80 m synchrotronu w kształcie pączka, znanego jako BESSY II w Berlinie, gdzie elektrony są przyspieszane, aż osiągną prędkość niemal równą 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 wokół synchrotronu w wiązkach oddzielonych dwiema nanosekundami, emitowane przez nie promieniowanie rentgenowskie ma postać precyzyjnych impulsów.
Skaningowy mikroskop rentgenowski z transmisją promieni rentgenowskich (STXM) pobiera te promienie rentgenowskie, aby utworzyć migawkę struktury magnetycznej materiału.Łącząc te migawki, badacze mogą w zasadzie stworzyć film pokazujący, jak mikromagnes zmienia się w czasie.
Za pomocą STXM Folven i jego współpracownicy zakłócili mikromagnesy impulsem prądu, który wygenerował pole magnetyczne, i zaobserwowali, jak domeny zmieniają kształt, a rdzeń wiru przemieszcza się od środka.
„Masz bardzo mały magnes, następnie go szturchasz i próbujesz wyobrazić sobie, jak ponownie się osadza” – mówi.Następnie zaobserwowali, jak rdzeń powrócił na środek, ale krętą ścieżką, a nie linią prostą.
„To będzie w pewnym sensie taniec z powrotem do środka” – mówi Folven.
Jedno potknięcie i koniec
Dzieje się tak dlatego, że badają materiały epitaksjalne, które powstają na wierzchu podłoża, co pozwala badaczom modyfikować właściwości materiału, ale blokuje promieniowanie rentgenowskie w STXM.
Pracując w NTNU NanoLab, naukowcy rozwiązali problem podłoża, zakopując mikromagnes pod warstwą węgla, aby chronić jego właściwości magnetyczne.
Następnie ostrożnie i precyzyjnie odłupali podłoże pod skupioną wiązką jonów galu, aż pozostała tylko bardzo cienka warstwa.Żmudny proces może zająć osiem godzin na próbkę, a jedna wpadka może oznaczać katastrofę.
„Najważniejsze jest to, że jeśli zabijemy magnetyzm, nie dowiemy się tego, zanim nie usiądziemy w Berlinie” – mówi.„Sztuka polega oczywiście na zabraniu więcej niż jednej próbki”.
Od fizyki podstawowej po urządzenia przyszłości
Na szczęście zadziałało, a zespół wykorzystał starannie przygotowane próbki do wykresu wzrostu i kurczenia się domen mikromagnesu w czasie.Stworzyli także symulacje komputerowe, aby lepiej zrozumieć, jakie siły działały.
Oprócz pogłębiania naszej wiedzy z zakresu fizyki podstawowej, zrozumienie działania magnetyzmu w takich skalach długości i czasu może być pomocne w tworzeniu przyszłych urządzeń.
Magnetyzm jest już wykorzystywany do przechowywania danych, ale badacze szukają obecnie sposobów na jego dalsze wykorzystanie.Na przykład orientacje magnetyczne rdzenia wirowego i domen mikromagnesu można by prawdopodobnie wykorzystać do kodowania informacji w postaci zer i jedynek.
Naukowcy zamierzają teraz powtórzyć tę pracę z materiałami antyferromagnetycznymi, w przypadku których całkowity efekt poszczególnych momentów magnetycznych znosi się.Są one obiecujące, jeśli chodzi o obliczenia — teoretycznie materiały antyferromagnetyczne można wykorzystać do budowy urządzeń, które wymagają niewielkiej energii i pozostają stabilne nawet w przypadku utraty zasilania — ale ich zbadanie jest znacznie trudniejsze, ponieważ wytwarzane przez nie sygnały będą znacznie słabsze .
Pomimo tego wyzwania Folven jest optymistą.„Omówiliśmy pierwszy temat, pokazując, że możemy pobrać próbki i przeglądać je za pomocą promieni rentgenowskich” – mówi.„Następnym krokiem będzie sprawdzenie, czy uda nam się wytworzyć próbki o wystarczająco wysokiej jakości, aby uzyskać wystarczający sygnał z materiału antyferromagnetycznego”.
Czas publikacji: 10 maja 2021 r