Raziskovalci z NTNU osvetljujejo magnetne materiale v majhnih merilih z ustvarjanjem filmov s pomočjo nekaterih izjemno svetlih rentgenskih žarkov.
Erik Folven, sodirektor skupine za oksidno elektroniko na Oddelku za elektronske sisteme NTNU, in kolegi z NTNU in Univerze v Gentu v Belgiji so se odločili opazovati, kako se tankoplastni mikromagneti spreminjajo, ko jih moti zunanje magnetno polje. Delo, ki ga je delno financiral NTNU Nano in Raziskovalni svet Norveške, je bilo objavljeno v reviji Physical Review Research.
Drobni magneti
Einar Standal Digernes je izumil drobne kvadratne magnete, ki so jih uporabljali v poskusih.
Drobni kvadratni magneti, ki jih je ustvaril doktorski kandidat NTNU Einar Standal Digernes, so široki le dva mikrometra in razdeljeni na štiri trikotne domene, od katerih ima vsaka drugačno magnetno orientacijo, usmerjeno v smeri urinega kazalca ali v nasprotni smeri urinega kazalca okoli magnetov.
V nekaterih magnetnih materialih se manjše skupine atomov združujejo v območja, imenovana domene, v katerih imajo vsi elektroni enako magnetno orientacijo.
V magnetih NTNU se te domene srečujejo v osrednji točki – vrtinčnem jedru – kjer magnetni moment kaže neposredno v ali iz ravnine materiala.
»Ko uporabimo magnetno polje, bo vedno več teh domen usmerjenih v isto smer,« pravi Folven. »Lahko rastejo in se krčijo, nato pa se lahko združijo druga v drugo.«
Elektroni skoraj s svetlobno hitrostjo
Opazovati to ni lahko. Raziskovalci so svoje mikromagnete odnesli v 80 metrov širok sinhrotron v obliki krofa, znan kot BESSY II, v Berlinu, kjer elektrone pospešujejo, dokler ne potujejo skoraj s svetlobno hitrostjo. Ti hitro premikajoči se elektroni nato oddajajo izjemno svetle rentgenske žarke.
»Te rentgenske žarke vzamemo in jih uporabimo kot svetlobo v našem mikroskopu,« pravi Folven.
Ker elektroni potujejo po sinhrotronu v snopih, ločenih z dvema nanosekundama, rentgenski žarki, ki jih oddajajo, prihajajo v natančnih impulzih.
Skenirni transmisijski rentgenski mikroskop ali STXM s temi rentgenskimi žarki ustvari posnetek magnetne strukture materiala. Z združevanjem teh posnetkov lahko raziskovalci v bistvu ustvarijo film, ki prikazuje, kako se mikromagnet sčasoma spreminja.
S pomočjo STXM sta Folven in njegovi kolegi zmotili svoje mikromagnete s pulzom toka, ki je ustvaril magnetno polje, in opazili, kako domene spreminjajo obliko, vrtinčno jedro pa se premika iz središča.
»Imate zelo majhen magnet, nato pa ga zbodite in poskusite posneti, kako se spet umiri,« pravi. Kasneje so videli, kako se jedro vrača na sredino – vendar po vijugasti poti, ne po ravni črti.
»Nekako se bo zaplesalo nazaj v središče,« pravi Folven.
En zdrs in konec je
To je zato, ker preučujejo epitaksialne materiale, ki so ustvarjeni na vrhu substrata, ki raziskovalcem omogoča spreminjanje lastnosti materiala, vendar bi v STXM blokiral rentgenske žarke.
Raziskovalci so v NTNU NanoLabu rešili problem substrata tako, da so svoj mikromagnet zakopali pod plast ogljika, da bi zaščitili njegove magnetne lastnosti.
Nato so s fokusiranim žarkom galijevih ionov previdno in natančno odkrušili podlago, dokler ni ostala le zelo tanka plast. Mukotrpen postopek je lahko trajal osem ur na vzorec – in že en sam spodrsljaj bi lahko pomenil katastrofo.
»Ključno je, da če uničimo magnetizem, tega ne bomo vedeli, preden se bomo usedli v Berlin,« pravi. »Trik je seveda v tem, da prinesemo več kot en vzorec.«
Od temeljne fizike do prihodnjih naprav
Na srečo je delovalo in ekipa je s skrbno pripravljenimi vzorci prikazala, kako domene mikromagneta sčasoma rastejo in se krčijo. Ustvarili so tudi računalniške simulacije, da bi bolje razumeli, katere sile delujejo.
Poleg izboljšanja našega znanja o temeljni fiziki bi lahko razumevanje delovanja magnetizma na teh dolžinskih in časovnih skalah koristilo pri ustvarjanju prihodnjih naprav.
Magnetizem se že uporablja za shranjevanje podatkov, vendar raziskovalci trenutno iščejo načine za njegovo nadaljnjo izkoriščanje. Magnetne orientacije vrtinčnega jedra in domen mikromagneta bi se na primer morda lahko uporabile za kodiranje informacij v obliki ničel in enic.
Raziskovalci zdaj načrtujejo ponovitev tega dela z antiferomagnetnimi materiali, kjer se neto učinek posameznih magnetnih momentov izniči. Ti so obetavni, ko gre za računalništvo – teoretično bi se antiferomagnetni materiali lahko uporabili za izdelavo naprav, ki potrebujejo malo energije in ostanejo stabilne tudi ob izgubi napajanja – vendar jih je veliko težje raziskati, ker bodo signali, ki jih proizvajajo, veliko šibkejši.
Kljub temu izzivu je Folven optimističen. »Prvo področje smo že dosegli s tem, ko smo pokazali, da lahko izdelamo vzorce in jih pregledamo z rentgenskimi žarki,« pravi. »Naslednji korak bo ugotoviti, ali lahko izdelamo vzorce dovolj visoke kakovosti, da dobimo dovolj signala iz antiferomagnetnega materiala.«
Čas objave: 10. maj 2021