Исследователи из NTNU проливают свет на магнитные материалы в малых масштабах, создавая видеоролики с помощью чрезвычайно ярких рентгеновских лучей.
Эрик Фольвен, соруководитель группы оксидной электроники на кафедре электронных систем NTNU, и его коллеги из NTNU и Гентского университета в Бельгии поставили перед собой задачу изучить, как изменяются тонкопленочные микромагниты при воздействии внешнего магнитного поля. Работа, частично финансируемая NTNU Nano и Норвежским исследовательским советом, была опубликована в журнале Physical Review Research.
Крошечные магниты
Эйнар Стандал Дигернес изобрел крошечные квадратные магниты, использованные в экспериментах.
Крошечные квадратные магниты, созданные аспирантом NTNU Эйнаром Стандалом Дигернесом, имеют ширину всего два микрометра и разделены на четыре треугольных домена, каждый из которых имеет различную магнитную ориентацию, направленную по часовой или против часовой стрелки вокруг магнитов.
В некоторых магнитных материалах меньшие группы атомов объединяются в области, называемые доменами, в которых все электроны имеют одинаковую магнитную ориентацию.
В магнитах NTNU эти домены сходятся в центральной точке — ядре вихря, — где магнитный момент направлен непосредственно в плоскость материала или перпендикулярно ей.
«Когда мы применяем магнитное поле, все больше и больше таких доменов будут направлены в одну сторону, — говорит Фольвен. — Они могут расти и уменьшаться, а затем сливаться друг с другом».
Электроны движутся почти со скоростью света.
Наблюдать за этим процессом непросто. Исследователи перенесли свои микромагниты в берлинский синхротрон BESSY II, имеющий форму пончика и шириной 80 метров, где электроны ускоряются до скорости, близкой к скорости света. Затем эти быстро движущиеся электроны испускают чрезвычайно яркие рентгеновские лучи.
«Мы получаем эти рентгеновские лучи и используем их в качестве источника света в нашем микроскопе», — говорит Фольвен.
Поскольку электроны движутся вокруг синхротрона группами, разделенными интервалом в две наносекунды, испускаемые ими рентгеновские лучи представляют собой точные импульсы.
Сканирующий просвечивающий рентгеновский микроскоп (STXM) использует эти рентгеновские лучи для создания моментального снимка магнитной структуры материала. Объединяя эти снимки, исследователи могут, по сути, создать фильм, показывающий, как микромагнит изменяется со временем.
С помощью STXM Фольвен и его коллеги воздействовали на свои микромагниты импульсом тока, который генерировал магнитное поле, и наблюдали, как домены меняют форму, а ядро вихря смещается от центра.
«Вы берете очень маленький магнит, тыкаете в него пальцем и пытаетесь получить изображение, когда он снова оседает», — говорит он. После этого они увидели, как ядро возвращается в центр — но по извилистой траектории, а не по прямой линии.
«Всё как бы вернётся в центр», — говорит Фольвен.
Одна ошибка — и всё кончено
Это связано с тем, что они изучают эпитаксиальные материалы, которые создаются на подложке, позволяющей исследователям изменять свойства материала, но блокирующей рентгеновские лучи в сканирующем рентгеновском микроскопе.
Работая в лаборатории NanoLab NTNU, исследователи решили проблему с подложкой, поместив свой микромагнит под слой углерода для защиты его магнитных свойств.
Затем они аккуратно и точно удаляли подложку, используя сфокусированный пучок ионов галлия, пока не оставался лишь очень тонкий слой. Этот кропотливый процесс мог занимать восемь часов на образец, и одна ошибка могла привести к катастрофе.
«Крайне важно то, что если мы уничтожим магнетизм, мы не узнаем об этом до того, как окажемся в Берлине», — говорит он. «Хитрость, конечно, в том, чтобы взять с собой не один образец».
От фундаментальной физики до устройств будущего
К счастью, это сработало, и команда использовала тщательно подготовленные образцы, чтобы составить карту того, как домены микромагнита растут и сжимаются с течением времени. Они также создали компьютерные симуляции, чтобы лучше понять, какие силы действуют в этом случае.
Помимо расширения наших знаний в области фундаментальной физики, понимание того, как работает магнетизм в этих пространственных и временных масштабах, может оказаться полезным при создании будущих устройств.
Магнетизм уже используется для хранения данных, но исследователи в настоящее время ищут способы его дальнейшего применения. Например, магнитная ориентация ядра вихря и доменов микромагнита может быть использована для кодирования информации в виде нулей и единиц.
Теперь исследователи стремятся повторить эту работу с антиферромагнитными материалами, в которых суммарный эффект отдельных магнитных моментов компенсируется. Эти материалы перспективны для вычислительной техники — теоретически, антиферромагнитные материалы можно использовать для создания устройств, потребляющих мало энергии и остающихся стабильными даже при отключении питания, — но их гораздо сложнее исследовать, поскольку производимые ими сигналы будут намного слабее.
Несмотря на эти трудности, Фольвен полон оптимизма. «Мы преодолели первый этап, показав, что можем изготавливать образцы и исследовать их с помощью рентгеновских лучей», — говорит он. «Следующим шагом будет выяснить, сможем ли мы изготовить образцы достаточно высокого качества, чтобы получить достаточный сигнал от антиферромагнитного материала».
Дата публикации: 10 мая 2021 г.