Исследователи из NTNU проливают свет на магнитные материалы в небольших масштабах, создавая фильмы с помощью некоторых чрезвычайно ярких рентгеновских лучей.
Эрик Фолвен, со-директор группы по оксидной электронике в Департаменте электронных систем NTNU, и коллеги из Университета NTNU и Гента в Бельгии намеревались увидеть, как изменяются тонкие микромагниты, когда нарушаются внешнее магнитное поле. Работа, частично финансируемая NTNU Nano и исследовательским советом Норвегии, была опубликована в журнале «Исследование физических обзоров».
Крошечные магниты
Einar Sondal Digernes изобрел крошечные квадратные магниты, используемые в экспериментах.
Крошечные квадратные магниты, созданные NTNU Ph.D. Кандидат Einar Sandal Digernes, имеют ширину всего две микрометры и разделены на четыре треугольные домены, каждый с различной магнитной ориентацией, указывающей по часовой стрелке или против часовой стрелки вокруг магнитов.
В некоторых магнитных материалах меньшие группы атомов объединяют в области, называемые доменами, в которых все электроны имеют одинаковую магнитную ориентацию.
В магнитах NTNU эти домены встречаются в центральной точке - вихревом ядре - где магнитный момент указывает непосредственно или из плоскости материала.
«Когда мы применяем магнитное поле, все больше и больше этих доменов будут указывать в том же направлении», - говорит Фолвен. «Они могут расти, и они могут сжиматься, а затем они могут слиться друг с другом».
Электроны почти со скоростью света
Видеть, что это происходит, нелегко. Исследователи взяли свои микромагнеты в синхротрон в форме пончиков шириной 80 метров, известный как Bessy II, в Берлине, где электроны ускоряются, пока они не пройдут практически со скоростью света. Эти быстро движущиеся электроны излучают очень яркие рентгеновские снимки.
«Мы принимаем эти рентгеновские снимки и используем их в качестве света в нашем микроскопе»,-говорит Фолвен.
Поскольку электроны перемещаются вокруг синхротрона в пучках, разделенных двумя наносекундами, рентгеновские лучи, которые они излучают точные импульсы.
Сканирующее трансмиссионное рентгеновское микроскоп, или STXM, принимает эти рентгеновские снимки, чтобы создать снимок магнитной структуры материала. Сшивая эти снимки вместе, исследователи могут по существу создать фильм, показывающий, как микромагмет меняется с течением времени.
С помощью STXM Фолвен и его коллеги нарушили свои микромагнеты пульсом тока, который генерировал магнитное поле, и увидели, как домены меняют форму, а ядро вихрьи перемещалось из центра.
«У вас очень маленький магнит, а затем вы пшаете его и пытаетесь представить его, когда он снова оседает», - говорит он. После этого они увидели, как ядро возвращалось в середину - но вдоль обмотки, а не прямой линии.
«Это как бы танцевать в центр», - говорит Фолвен.
Один скольжение, и все кончено
Это связано с тем, что они изучают эпитаксиальные материалы, которые создаются поверх подложки, который позволяет исследователям настраивать свойства материала, но блокируют рентгеновские снимки в STXM.
Работая в NTNU NanoLab, исследователи решили проблему субстрата, захоронив свой микромагнет под слоем углерода для защиты его магнитных свойств.
Затем они тщательно и точно отбрасывали подложку под сфокусированным пучком ионов галлия, пока не останется только очень тонкий слой. Кропотливый процесс может занять восемь часов на образец - и одно проскальзывание может означать катастрофу.
«Критически важно то, что, если вы убьете магнетизм, мы не узнаем это, прежде чем сидеть в Берлине», - говорит он. «Хитрость, конечно, принести более одного образца».
От фундаментальной физики до будущих устройств
К счастью, это сработало, и команда использовала свои тщательно подготовленные образцы, чтобы наметить, как домены микромагнета растут и сокращаются с течением времени. Они также создали компьютерные симуляции, чтобы лучше понять, какие силы были на работе.
Помимо продвижения наших знаний о фундаментальной физике, понимание того, как магнетизм работает в этой длине и масштабах времени, может быть полезным для создания будущих устройств.
Магнетизм уже используется для хранения данных, но в настоящее время исследователи ищут способы дальнейшего использования его. Например, магнитные ориентации ядра вихревого ядра и доменов микромагмета, возможно, могут быть использованы для кодирования информации в форме 0s и 1s.
Исследователи в настоящее время стремятся повторить эту работу с антипромагнитными материалами, где чистый эффект отдельных магнитных моментов отменяется. Они многообещают, когда дело доходит до вычислений-в теории, антифромагнитные материалы могут использоваться для изготовления устройств, которые требуют небольшой энергии и остаются стабильными, даже когда власть теряется, но намного сложнее для исследования, потому что сигналы, которые они производят, будут намного слабее.
Несмотря на эту проблему, Фолвен оптимистичен. «Мы рассмотрели первую землю, показав, что мы можем сделать образцы и просмотреть их с помощью рентгеновских лучей»,-говорит он. «Следующим шагом будет выяснить, можем ли мы сделать образцы достаточно высокого качества, чтобы получить достаточный сигнал от антипромагнитного материала».
Время публикации: май-10-2021