Истраживачи са НТНУ бацају светло на магнетне материјале у малим размерама стварајући филмове уз помоћ изузетно светлих рендгенских зрака.
Ерик Фолвен, кодиректор групе за оксидну електронику на Одељењу за електронске системе Универзитета у Тексасу (NTNU), и колеге са NTNU и Универзитета у Генту у Белгији кренули су да виде како се микромагнети у танком филму мењају када их поремети спољашње магнетно поље. Рад, који су делимично финансирали NTNU Nano и Истраживачки савет Норвешке, објављен је у часопису Physical Review Research.
Сићушни магнети
Ејнар Стандал Дигернес је изумео ситне квадратне магнете који су коришћени у експериментима.
Сићушни квадратни магнети, које је креирао докторски кандидат NTNU-а Еинар Стандал Дигернес, широки су само два микрометра и подељени су на четири троугласта домена, сваки са различитом магнетном оријентацијом усмереном у смеру казаљке на сату или супротно од казаљке на сату око магнета.
У одређеним магнетним материјалима, мање групе атома се удружују у подручја која се називају домени, у којима сви електрони имају исту магнетну оријентацију.
У НТНУ магнетима, ови домени се сусрећу у централној тачки - вртложном језгру - где магнетни момент показује директно у или ван равни материјала.
„Када применимо магнетно поље, све више и више ових домена ће бити усмерено у истом правцу“, каже Фолвен. „Они могу да расту и могу да се скупљају, а затим се могу спојити један са другим.“
Електрони скоро брзином светлости
Није лако видети ово како се дешава. Истраживачи су своје микромагнете однели у синхротрон у облику крофне ширине 80 метара, познат као BESSY II, у Берлину, где се електрони убрзавају док не путују скоро брзином светлости. Ти брзи електрони затим емитују изузетно светле рендгенске зраке.
„Узимамо ове рендгенске зраке и користимо их као светлост у нашем микроскопу“, каже Фолвен.
Пошто електрони путују око синхротрона у сноповима раздвојеним две наносекунде, рендгенски зраци које емитују долазе у прецизним импулсима.
Скенирајући трансмисиони рендгенски микроскоп, или STXM, узима те рендгенске зраке да би направио снимак магнетне структуре материјала. Спајањем ових снимака, истраживачи у суштини могу да направе филм који приказује како се микромагнет мења током времена.
Уз помоћ STXM-а, Фолвен и његове колеге су пореметиле своје микромагнете импулсом струје који је генерисао магнетно поље и видели како домени мењају облик и како се језгро вртлога помера из центра.
„Имате веома мали магнет, а затим га боцнете и покушате да га заснимите како се поново смирује“, каже он. Након тога, видели су како се језгро враћа у средину — али дуж кривудаве путање, а не праволинијске линије.
„Некако ће се вратити у центар као плес“, каже Фолвен.
Један клик и готово је
То је зато што проучавају епитаксијалне материјале, који се стварају на врху подлоге која омогућава истраживачима да подесе својства материјала, али би блокирала рендгенске зраке у СТXМ-у.
Радећи у NTNU NanoLab-у, истраживачи су решили проблем подлоге тако што су свој микромагнет закопали испод слоја угљеника како би заштитили његова магнетна својства.
Затим су пажљиво и прецизно одсецали подлогу испод фокусираним снопом галијумових јона док није остао само веома танак слој. Мукотрпан процес могао је да траје осам сати по узорку – а једна грешка могла је да значи катастрофу.
„Кључно је то што, ако уништите магнетизам, то нећемо знати пре него што седнемо у Берлин“, каже он. „Циљ је, наравно, у томе да се донесе више од једног узорка.“
Од фундаменталне физике до будућих уређаја
Срећом, успело је, и тим је користио своје пажљиво припремљене узорке да би мапирао како домени микромагнета расту и смањују се током времена. Такође су направили компјутерске симулације како би боље разумели које силе делују.
Поред унапређења нашег знања о фундаменталној физици, разумевање како магнетизам функционише на овим дужинским и временским скалама могло би бити корисно у стварању будућих уређаја.
Магнетизам се већ користи за складиштење података, али истраживачи тренутно траже начине да га даље искористе. Магнетне оријентације вртложног језгра и домена микромагнета, на пример, можда би се могле користити за кодирање информација у облику нула и јединица.
Истраживачи сада циљају да понове овај рад са антиферомагнетним материјалима, где се нето ефекат појединачних магнетних момената поништава. Ово су обећавајући материјали када је у питању рачунарство – теоретски, антиферомагнетни материјали би се могли користити за израду уређаја који захтевају мало енергије и остају стабилни чак и када нестане струје – али је много теже истражити их јер ће сигнали које производе бити много слабији.
Упркос том изазову, Фолвен је оптимистичан. „Покрили смо прву тему показујући да можемо да правимо узорке и да их прегледамо помоћу рендгенских зрака“, каже он. „Следећи корак ће бити да видимо да ли можемо да направимо узорке довољно високог квалитета да бисмо добили довољно сигнала од антиферомагнетног материјала.“
Време објаве: 10. мај 2021.