Исследователи из NTNU проливают свет на магнитные материалы в малых масштабах, создавая фильмы с помощью чрезвычайно ярких рентгеновских лучей.
Эрик Фолвен, соруководитель группы оксидной электроники на кафедре электронных систем NTNU, и его коллеги из NTNU и Гентского университета (Бельгия) решили изучить, как тонкоплёночные микромагниты изменяются под воздействием внешнего магнитного поля. Работа, частично финансируемая NTNU Nano и Исследовательским советом Норвегии, была опубликована в журнале Physical Review Research.
Маленькие магниты
Эйнар Стендаль Дигернес изобрел крошечные квадратные магниты, используемые в экспериментах.
Миниатюрные квадратные магниты, созданные докторантом 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 стрелке 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 встречаются в центральной точке — ядре вихря — где магнитный момент направлен непосредственно внутрь или наружу плоскости материала.
«Когда мы применяем магнитное поле, всё больше и больше этих доменов будут направлены в одну сторону», — говорит Фолвен. «Они могут расти и сжиматься, а затем сливаться друг с другом».
Электроны почти со скоростью света
Увидеть это непросто. Исследователи доставили свои микромагниты в 80-метровый синхротрон в форме пончика, известный как BESSY II, в Берлине, где электроны разгоняются почти до скорости света. Эти быстро движущиеся электроны затем испускают чрезвычайно яркое рентгеновское излучение.
«Мы берем эти рентгеновские лучи и используем их в качестве света в нашем микроскопе», — говорит Фолвен.
Поскольку электроны движутся вокруг синхротрона пучками, разделенными двумя наносекундами, испускаемые ими рентгеновские лучи представляют собой точные импульсы.
Сканирующий просвечивающий рентгеновский микроскоп (STXM) использует эти рентгеновские лучи для создания моментального снимка магнитной структуры материала. Сшивая эти снимки, исследователи, по сути, создают фильм, демонстрирующий, как микромагнит меняется со временем.
С помощью STXM Фолвен и его коллеги воздействовали на свои микромагниты импульсом тока, который генерировал магнитное поле, и наблюдали, как домены меняли форму, а ядро вихря смещалось от центра.
«Берётся очень маленький магнит, и вы его тыкаете и пытаетесь запечатлеть, как он возвращается в исходное положение», — говорит он. После этого они увидели, как сердечник возвращается в центр, но не по прямой, а по извилистой траектории.
«Он как бы вернется к центру», — говорит Фолвен.
Один промах, и всё кончено.
Это связано с тем, что они изучают эпитаксиальные материалы, которые создаются на подложке, позволяющей исследователям настраивать свойства материала, но блокирующей рентгеновские лучи в STXM.
Работая в NanoLab NTNU, исследователи решили проблему подложки, поместив свой микромагнит под слой углерода, чтобы защитить его магнитные свойства.
Затем они аккуратно и точно снимали подложку с помощью сфокусированного пучка ионов галлия, пока не остался лишь очень тонкий слой. Этот кропотливый процесс мог занять до восьми часов на образец, и любая ошибка могла обернуться катастрофой.
«Главное, что если отключить магнитное поле, мы узнаем об этом только в Берлине», — говорит он. «Суть, конечно, в том, чтобы привезти с собой не один образец».
От фундаментальной физики к будущим устройствам
К счастью, это сработало, и команда использовала тщательно подготовленные образцы, чтобы отследить, как домены микромагнита растут и сжимаются с течением времени. Они также провели компьютерное моделирование, чтобы лучше понять, какие силы действуют.
Помимо углубления наших знаний в области фундаментальной физики, понимание того, как работает магнетизм в таких длинных и временных масштабах, может быть полезным при создании будущих устройств.
Магнетизм уже используется для хранения данных, но исследователи в настоящее время ищут способы его дальнейшего использования. Например, магнитную ориентацию ядра вихря и доменов микромагнита можно было бы использовать для кодирования информации в виде нулей и единиц.
Теперь исследователи намерены повторить эту работу с антиферромагнитными материалами, где суммарный эффект отдельных магнитных моментов нейтрализуется. Это перспективно для вычислительной техники: теоретически антиферромагнитные материалы могут быть использованы для создания устройств, потребляющих мало энергии и сохраняющих стабильность даже при отключении питания, но их гораздо сложнее исследовать, поскольку генерируемые ими сигналы будут гораздо слабее.
Несмотря на эту проблему, Фолвен настроен оптимистично. «Мы выполнили первый шаг, показав, что можем создавать образцы и исследовать их рентгеновскими лучами», — говорит он. «Следующим шагом будет проверка того, сможем ли мы создавать образцы достаточно высокого качества, чтобы получить достаточный сигнал от антиферромагнитного материала».
Время публикации: 10 мая 2021 г.