Výskumníci z NTNU objasňujú magnetické materiály v malom meradle vytváraním filmov pomocou extrémne jasných röntgenových lúčov.
Erik Folven, spoluriaditeľ skupiny oxidovej elektroniky na Katedre elektronických systémov NTNU, a jeho kolegovia z NTNU a Ghentskej univerzity v Belgicku sa rozhodli zistiť, ako sa tenkovrstvové mikromagnety menia, keď sú narušené vonkajším magnetickým poľom. Práca, čiastočne financovaná NTNU Nano a Nórskou radou pre výskum, bola publikovaná v časopise Physical Review Research.
Drobné magnety
Einar Standal Digernes vynašiel drobné štvorcové magnety používané v experimentoch.
Drobné štvorcové magnety, ktoré vytvoril doktorand NTNU Einar Standal Digernes, majú šírku len dva mikrometre a sú rozdelené do štyroch trojuholníkových domén, z ktorých každá má inú magnetickú orientáciu smerujúcu v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek okolo magnetov.
V niektorých magnetických materiáloch sa menšie skupiny atómov spájajú do oblastí nazývaných domény, v ktorých majú všetky elektróny rovnakú magnetickú orientáciu.
V magnetoch NTNU sa tieto domény stretávajú v centrálnom bode – vírovom jadre – kde magnetický moment smeruje priamo do alebo z roviny materiálu.
„Keď aplikujeme magnetické pole, stále viac a viac týchto domén bude smerovať rovnakým smerom,“ hovorí Folven. „Môžu rásť a môžu sa zmenšovať a potom sa môžu navzájom spájať.“
Elektróny takmer rýchlosťou svetla
Nie je jednoduché vidieť to na vlastné oči. Výskumníci vzali svoje mikromagnety do 80 metrov širokého synchrotrónu v tvare šišky, známeho ako BESSY II, v Berlíne, kde sú elektróny urýchľované, až kým sa nedostanú takmer k rýchlosti svetla. Tieto rýchlo sa pohybujúce elektróny potom vyžarujú extrémne jasné röntgenové lúče.
„Tieto röntgenové lúče berieme a používame ich ako svetlo v našom mikroskope,“ hovorí Folven.
Pretože elektróny sa pohybujú synchrotrónom vo zhlukoch oddelených dvoma nanosekundami, röntgenové lúče, ktoré vyžarujú, prichádzajú v presných impulzoch.
Skenovací transmisný röntgenový mikroskop alebo STXM sníma tieto röntgenové lúče a vytvára snímku magnetickej štruktúry materiálu. Spojením týchto snímok môžu výskumníci v podstate vytvoriť film, ktorý ukazuje, ako sa mikromagnet v priebehu času mení.
Pomocou STXM Folven a jeho kolegovia narušili svoje mikromagnety impulzom prúdu, ktorý generoval magnetické pole, a pozorovali, ako domény menia tvar a vírové jadro sa pohybuje od stredu.
„Máte veľmi malý magnet a potom doňho pichnete a snažíte sa ho zobraziť, ako sa opäť usadzuje,“ hovorí. Neskôr videli, ako sa jadro vracia do stredu – ale po kľukatej dráhe, nie po priamke.
„Bude sa to nejako tancovať späť do stredu,“ hovorí Folven.
Jeden šmyk a je koniec
Je to preto, že študujú epitaxné materiály, ktoré sa vytvárajú na povrchu substrátu, ktorý umožňuje výskumníkom upravovať vlastnosti materiálu, ale blokuje röntgenové lúče v STXM.
Výskumníci v NTNU NanoLab vyriešili problém so substrátom tak, že svoj mikromagnet zahrabali pod vrstvu uhlíka, aby ochránili jeho magnetické vlastnosti.
Potom opatrne a presne odštiepili substrát pod ním zaostreným lúčom iónov gália, až kým nezostala len veľmi tenká vrstva. Tento namáhavý proces mohol trvať osem hodín na vzorku – a jedno prešmyknutie mohlo znamenať katastrofu.
„Kritické je, že ak zabijeme magnetizmus, nebudeme to vedieť skôr, ako sa usadíme v Berlíne,“ hovorí. „Trikom je, samozrejme, priniesť viac ako jednu vzorku.“
Od základnej fyziky k budúcim zariadeniam
Našťastie to fungovalo a tím použil svoje starostlivo pripravené vzorky na zmapovanie toho, ako domény mikromagnetu časom rastú a zmenšujú. Vytvorili tiež počítačové simulácie, aby lepšie pochopili, aké sily pôsobia.
Okrem prehĺbenia našich vedomostí zo základnej fyziky by pochopenie toho, ako magnetizmus funguje v týchto dĺžkových a časových škálach, mohlo byť užitočné pri vytváraní budúcich zariadení.
Magnetizmus sa už používa na ukladanie dát, ale výskumníci v súčasnosti hľadajú spôsoby, ako ho ďalej využívať. Napríklad magnetická orientácia vírového jadra a domén mikromagnetu by sa mohla použiť na kódovanie informácií vo forme núl a jednotiek.
Výskumníci sa teraz snažia zopakovať túto prácu s antiferomagnetickými materiálmi, kde sa celkový účinok jednotlivých magnetických momentov vyruší. Tieto materiály sú sľubné, pokiaľ ide o výpočtovú techniku – teoreticky by sa antiferomagnetické materiály mohli použiť na výrobu zariadení, ktoré vyžadujú málo energie a zostanú stabilné aj pri výpadku napájania – ale ich skúmanie je oveľa zložitejšie, pretože signály, ktoré produkujú, budú oveľa slabšie.
Napriek tejto výzve je Folven optimistický. „Pokryli sme prvú možnosť tým, že sme ukázali, že vieme vyrobiť vzorky a skúmať ich pomocou röntgenových lúčov,“ hovorí. „Ďalším krokom bude zistiť, či dokážeme vyrobiť vzorky dostatočne vysokej kvality na to, aby sme získali dostatok signálu z antiferomagnetického materiálu.“
Čas uverejnenia: 10. mája 2021