Raziskovalci iz NTNU osvetljujejo magnetne materiale na majhnih lestvicah z ustvarjanjem filmov s pomočjo izjemno svetlih rentgenskih žarkov.
Erik Folven, so-direktor skupine Oxide Electronics na oddelku za elektronske sisteme NTNU, in sodelavci z univerze NTNU in Gent v Belgiji so si ogledali, kako se mikromagnete tankega filma spreminjajo, ko ga moti zunanje magnetno polje. Delo, ki sta ga delno financirala Ntnu Nano in Norveški raziskovalni svet, je bilo objavljeno v reviji Physical Review Research.
Drobni magneti
Einar Stand Digernes je izumil drobne kvadratne magnete, uporabljene v poskusih.
Drobni kvadratni magneti, ki jih je ustvaril Ntnu Ph.D. Kandidat Einar Stand DiGernes sta le dva mikrometra široka in se razdelita na štiri trikotne domene, vsaka z drugačno magnetno orientacijo, ki kaže v smeri urinega kazalca ali v smeri urinega kazalca okoli magnetov.
V nekaterih magnetnih materialih se manjše skupine atomov padejo skupaj v območja, imenovana domena, v katerih imajo vsi elektroni enako magnetno orientacijo.
V magnetih NTNU se te domene srečujejo na osrednji točki - vrtincu jedra -, kjer magnetni trenutek kaže neposredno v ali zunaj ravnine materiala.
"Ko nanesemo magnetno polje, bo vedno več teh domen usmerilo v isto smer," pravi Folven. "Lahko rastejo in se lahko skrčijo, nato pa se lahko združijo drug v drugega."
Elektroni skoraj s hitrostjo svetlobe
Videti, da se to zgodi, ni enostavno. Raziskovalci so v 80 m širini krofni sinhrotron, znani kot Bessy II, v Berlinu, kjer se elektroni pospešijo, dokler ne potujejo s skoraj svetlobno. Ti hitro premikajoči se elektroni oddajajo izjemno svetle rentgenske žarke.
"Vzamemo te rentgenske žarke in jih uporabljamo kot svetlobo v našem mikroskopu," pravi Folven.
Ker elektroni potujejo po sinhrotronu v šopkih, ločeni z dvema nanosekundama, so rentgenski žarki, ki jih oddajajo, natančno prišli.
Rentgenski mikroskop za skeniranje prenosa ali STXM vzame te rentgenske žarke, da ustvari posnetek magnetne strukture materiala. Z združevanjem teh posnetkov lahko raziskovalci v bistvu ustvarijo film, ki prikazuje, kako se mikromagnet sčasoma spreminja.
Folven in njegovi sodelavci so s pomočjo STXM -a motili svoje mikromagne s pulzom toka, ki je ustvaril magnetno polje, in videli, da se domene spreminjajo v obliko in vrtinčno jedro se premikajo iz središča.
"Imate zelo majhen magnet, nato pa ga pokukate in poskusite slikati, kot se spet umiri," pravi. Potem so videli, da se jedro vrača na sredino - vendar po vijugasti poti, ne pa ravne črte.
"To bo nekako plesal nazaj v center," pravi Folven.
En spodrsljaj in konec je
To je zato, ker preučujejo epitaksialne materiale, ki so ustvarjeni na podlagi podlage, ki raziskovalcem omogoča, da prilagodijo lastnosti materiala, vendar bi rentgenske žarke blokirali v STXM.
Raziskovalci so delali v NTNU Nanolab, problem substrata so rešili tako, da so svoj mikromagnet pokopali pod plastjo ogljika, da bi zaščitili njegove magnetne lastnosti.
Nato previdno in natančno odstranijo substrat spodaj z osredotočenim snopom galijevih ionov, dokler ni ostala le zelo tanka plast. Prizadevanje lahko traja osem ur na vzorec - in en spodrsljaj bi lahko črkoval katastrofo.
"Kritična stvar je, da če ubijete magnetizem, tega ne bomo vedeli, preden bomo sedeli v Berlinu," pravi. "Trik je seveda, da prinesete več kot en vzorec."
Od temeljne fizike do prihodnjih naprav
K sreči je delovalo in ekipa je s skrbno pripravljenimi vzorci uporabila, da je narisala, kako domene mikromagneta sčasoma rastejo in skrčijo. Ustvarili so tudi računalniške simulacije, da bi bolje razumeli, kakšne sile so bile v službi.
Poleg napredovanja našega znanja o temeljni fiziki, razumevanje, kako magnetizem deluje na teh dolžini in časovnih lestvicah, bi lahko bilo koristno pri ustvarjanju prihodnjih naprav.
Magnetizem se že uporablja za shranjevanje podatkov, vendar raziskovalci trenutno iščejo načine, kako ga še naprej izkoristiti. Magnetne usmeritve vrtinčnega jedra in domen mikromagneta bi lahko na primer uporabili za kodiranje informacij v obliki 0s in 1s.
Raziskovalci si zdaj prizadevajo, da bi to delo ponovili z anti-feromagnetnimi materiali, kjer se neto učinek posameznih magnetnih trenutkov odpove. Te so obetavne, ko gre za računalništvo-v teoriji bi lahko proti-feromagnetni materiali uporabili za izdelavo naprav, ki zahtevajo malo energije in ostanejo stabilne, tudi ko se moč izgubi-, vendar veliko bolj zapleteni za raziskovanje, ker bodo signali, ki jih proizvajajo, veliko šibkejši.
Kljub temu izzivu je Folven optimističen. "Prvo podlago smo pokrili tako, da lahko naredimo vzorce in jih pogledamo z rentgenskimi žarki," pravi. "Naslednji korak bo videti, ali lahko naredimo vzorce dovolj kakovosti, da dobimo dovolj signala iz anti-feromagnetnega materiala."
Čas objave: maja 10-2021