Cercetătorii de la NTNU aruncă lumină asupra materialelor magnetice la solzi mici, creând filme cu ajutorul unor raze X extrem de strălucitoare.
Erik Folven, co-director al grupului de electronice de oxid de la Departamentul de sisteme electronice al NTNU și colegi de la NTNU și Universitatea Ghent din Belgia și-au propus să vadă cum se schimbă micromagnetele cu film subțire atunci când sunt perturbate de un câmp magnetic exterior. Lucrarea, finanțată parțial de NTNU Nano și Consiliul de Cercetare din Norvegia, a fost publicată în revista Physical Review Research.
Magneți minusculi
Einar Stastantal Dipernes a inventat magneții pătrați minusculi folosiți în experimente.
Magneții pătrați minusculi, create de NTNU Ph.D. Candidatul Einar Stastant Dipernes, sunt doar doi micrometri lățime și se împart în patru domenii triunghiulare, fiecare cu o orientare magnetică diferită, îndreptată în sensul acelor de ceasornic sau în sensul acelor de ceasornic în jurul magneților.
În anumite materiale magnetice, grupurile mai mici de atomi se reunesc în zone numite domenii, în care toți electronii au aceeași orientare magnetică.
În magneții NTNU, aceste domenii se întâlnesc într -un punct central - miezul vortexului - unde momentul magnetic indică direct sau în planul materialului.
„Când aplicăm un câmp magnetic, din ce în ce mai multe dintre aceste domenii vor indica în aceeași direcție”, spune Folven. „Pot crește și se pot micșora și apoi se pot contopi unul cu celălalt.”
Electroni aproape la viteza luminii
Văzând acest lucru se întâmplă nu este ușor. Cercetătorii și-au dus micromagneții la un sincrotron în formă de gogoașă de 80 m, cunoscut sub numele de Bessy II, la Berlin, unde electronii sunt accelerați până când călătoresc aproape cu viteza luminii. Acei electroni cu mișcare rapidă emit apoi raze X extrem de strălucitoare.
„Luăm aceste radiografii și le folosim ca lumină în microscopul nostru”, spune Folven.
Deoarece electronii călătoresc în jurul sincrotronului în buchete separate de două nanosecunde, razele X pe care le emit vin în impulsuri precise.
Un microscop cu raze X de transmisie de scanare, sau STXM, ia acele raze X pentru a crea o imagine a structurii magnetice a materialului. Prin cusăturile acestor instantanee împreună, cercetătorii pot crea în esență un film care arată modul în care micromagnet se schimbă în timp.
Cu ajutorul STXM, Folven și colegii săi și -au deranjat micromagnetele cu un puls de curent care a generat un câmp magnetic și au văzut că domeniile schimbă forma și miezul vortexului se deplasează din centru.
„Aveți un magnet foarte mic, apoi îl trageți și încercați să -l imaginați pe măsură ce se stabilește din nou”, spune el. După aceea, au văzut miezul să se întoarcă la mijloc - dar de -a lungul unei căi șerpuitoare, nu pe o linie dreaptă.
„Va dansa în centru”, spune Folven.
O singură alunecare și s -a terminat
Acest lucru se datorează faptului că studiază materiale epitaxiale, care sunt create pe un substrat care permite cercetătorilor să regleze proprietățile materialului, dar ar bloca razele X într-un STXM.
Lucrând în NTNU Nanolab, cercetătorii au rezolvat problema substratului prin îngroparea micromagnetului lor sub un strat de carbon pentru a -și proteja proprietățile magnetice.
Apoi au eliminat cu atenție și precis substratul de dedesubt cu un fascicul focalizat de ioni de galiu până când a rămas doar un strat foarte subțire. Procesul dureros ar putea dura opt ore pe eșantion - iar o alunecare ar putea vrăji dezastru.
„Lucrul critic este că, dacă omori magnetismul, nu vom ști asta înainte să stăm la Berlin”, spune el. „Trucul este, desigur, să aducem mai mult de un eșantion.”
De la fizică fundamentală la dispozitive viitoare
Din fericire, a funcționat, iar echipa și-a folosit eșantioanele pregătite cu atenție pentru a grafic modul în care domeniile micromagnetului cresc și se micșorează în timp. De asemenea, au creat simulări computerizate pentru a înțelege mai bine ce forțe erau la locul de muncă.
Pe lângă faptul că ne avansăm cunoștințele despre fizica fundamentală, înțelegerea modului în care funcționează magnetismul la aceste scări de lungime și timp ar putea fi utilă în crearea de dispozitive viitoare.
Magnetismul este deja utilizat pentru stocarea datelor, dar cercetătorii caută în prezent modalități de a -l exploata în continuare. Orientările magnetice ale miezului vortex și domeniilor unui micromagnet, de exemplu, ar putea fi utilizate pentru a codifica informații sub formă de 0s și 1s.
Cercetătorii își propun acum să repete această lucrare cu materiale anti-feromagnetice, unde efectul net al momentelor magnetice individuale se anulează. Acestea sunt promițătoare atunci când vine vorba de calcul-în teorie, materialele anti-feromagnetice ar putea fi utilizate pentru a face dispozitive care necesită puțină energie și rămân stabile chiar și atunci când se pierde puterea-dar mult mai complicat de investigat, deoarece semnalele pe care le produc vor fi mult mai slabe.
În ciuda acestei provocări, Folven este optimist. „Am acoperit primul teren arătând că putem face mostre și să ne uităm prin ele cu raze X”, spune el. „Următorul pas va fi să vedem dacă putem face mostre de calitate suficient de înaltă pentru a obține suficient semnal dintr-un material anti-feromagnetic.”
Timpul post: 10-2021 mai