Vedci z NTNU vrhajú svetlo na magnetické materiály v malých mierkach vytváraním filmov pomocou niektorých extrémne jasných röntgenových lúčov.
Erik Folven, spolu-divák skupiny Electronics Group na oddelení elektronických systémov NTNU a kolegovia z NTNU a Gent University v Belgicku, sa rozhodli zistiť, ako sa menia mikromagnety tenkých filmov, keď sú narušené vonkajším magnetickým poľom. Práca, čiastočne financovaná NTNU Nano a Radou pre výskum Nórska, bola uverejnená v časopise Physical Review Research.
Drobné magnety
Einar Standal Digernes vynašiel malé štvorcové magnety použité v experimentoch.
Drobné štvorcové magnety, ktoré vytvoril Ntnu Ph.D. Kandidát einar Standal Digernes, sú široké iba dva mikrometre a rozdelené do štyroch trojuholníkových domén, z ktorých každá má odlišné magnetické orientácie smerujúce v smere hodinových ručičiek alebo proti smeru hodinových ručičiek okolo magnetov.
V určitých magnetických materiáloch sa menšie skupiny atómov spojili 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 ukazuje priamo do roviny materiálu alebo z nej.
„Keď aplikujeme magnetické pole, čoraz viac z týchto domén bude smerovať rovnakým smerom,“ hovorí Folven. "Môžu rásť a môžu sa zmenšiť a potom sa môžu navzájom zlúčiť."
Elektróny takmer rýchlosťou svetla
Vidieť, že sa to stalo, nie je ľahké. Vedci vzali svoje mikromagnety do 80 metrov širokého šišky synchrotrónu, známeho ako Bessy II, v Berlíne, kde sa elektróny zrýchľujú, až kým neprechádzajú takmer rýchlosťou svetla. Tieto rýchlo sa pohybujúce elektróny potom emitujú extrémne jasné röntgenové lúče.
„Berieme tieto röntgenové lúče a používame ich ako svetlo v našom mikroskope,“ hovorí Folven.
Pretože elektróny cestujú okolo synchrotrónu v zväzkoch oddelených dvoma nanosekundami, röntgenové lúče, ktoré emitujú, dodávajú presné impulzy.
Röntgenový mikroskop skenovania alebo STXM berie tieto röntgenové lúče na vytvorenie snímky magnetickej štruktúry materiálu. Zasiatím týchto snímok spolu vedci môžu v podstate vytvoriť film, ktorý ukazuje, ako sa mikromagnet časom mení.
S pomocou STXM Folven a jeho kolegovia narušili ich mikromagnety impulzom prúdu, ktorý generoval magnetické pole, a videli, že domény sa menia tvar a vírivé jadro sa pohybujú od stredu.
"Máte veľmi malý magnet a potom ho strhnete a snažíte sa ho predstaviť, keď sa znova usadzuje," hovorí. Potom videli, ako sa jadro vráti do stredu - ale pozdĺž kľukatej cesty, nie priamka.
"Bude to tanec späť do centra," hovorí Folven.
Jeden sklz a je koniec
Je to preto, že študujú epitaxiálne materiály, ktoré sú vytvorené na vrchole substrátu, ktorý umožňuje výskumníkom vylepšiť vlastnosti materiálu, ale zablokujú röntgenové lúče v STXM.
Vedci, ktorí pracovali v NTNU nanolab, vyriešili problém substrátu tým, že pochovali svoj mikromagnet pod vrstvou uhlíka, aby sa chránili jeho magnetické vlastnosti.
Potom opatrne a presne odviedli substrát pod ním so zaostreným lúčom gália iónov, až kým nezostala iba veľmi tenká vrstva. Nákladný proces by mohol trvať osem hodín na vzorku - a jeden sklz by mohol vyhláskovať katastrofu.
"Kritické je, že ak zabijete magnetizmus, nebudeme to vedieť skôr, ako sedíme v Berlíne," hovorí. "Trik je, samozrejme, priniesť viac ako jednu vzorku."
Od základnej fyziky po budúce zariadenia
Našťastie to fungovalo a tím využil svoje starostlivo pripravené vzorky na zmapovanie toho, ako domény mikromagnetu v priebehu času rastú a zmenšujú. Vytvorili tiež počítačové simulácie, aby lepšie pochopili, aké sily pracovali.
Pri vytváraní budúcich zariadení by mohlo byť užitočné aj rozvoj našich znalostí o základnej fyzike, pochopenie toho, ako magnetizmus funguje v týchto dĺžkách a časových mierkach.
Magnetizmus sa už používa na ukladanie údajov, ale vedci v súčasnosti hľadajú spôsoby, ako ho ďalej využívať. Napríklad magnetické orientácie vírového jadra a domén mikromagnetu by sa pravdepodobne mohli použiť na kódovanie informácií vo forme 0S a 1s.
Vedci sa teraz snažia zopakovať túto prácu s antiferromagnetickými materiálmi, kde sa ruší čistý účinok jednotlivých magnetických momentov. Toto sú sľubné, pokiaľ ide o výpočet-v teórii by sa anti-ferromagnetické materiály mohli použiť na výrobu zariadení, ktoré vyžadujú malú energiu a zostávajú stabilné, aj keď sa stratí energia-ale oveľa zložitejšie skúmať, pretože signály, ktoré produkujú, budú oveľa slabšie.
Napriek tejto výzve je Folven optimistický. "Zakryli sme prvú pôdu tým, že sme ukázali, že dokážeme vyrobiť vzorky a pozerať sa cez ne röntgenovými lúčmi," hovorí. „Ďalším krokom bude zistiť, či dokážeme vyrobiť vzorky dostatočne vysokej kvality, aby sme získali dostatok signálu z antiferromagnetického materiálu.“
Čas príspevku: máj-10-2021