Forskare från NTNU belyser magnetiska material i små skalor genom att skapa filmer med hjälp av extremt ljusa röntgenstrålar.
Erik Folven, meddirektör för oxidelektronikgruppen vid NTNU:s institution för elektroniska system, och kollegor från NTNU och Ghents universitet i Belgien försökte undersöka hur tunnfilmsmikromagneter förändras när de störs av ett externt magnetfält. Arbetet, delvis finansierat av NTNU Nano och Norges forskningsråd, publicerades i tidskriften Physical Review Research.
Små magneter
Einar Standal Digernes uppfann de små fyrkantiga magneterna som användes i experimenten.
De små fyrkantiga magneterna, skapade av NTNU-doktoranden Einar Standal Digernes, är bara två mikrometer breda och uppdelade i fyra triangulära domäner, var och en med en annan magnetisk orientering som pekar medurs eller moturs runt magneterna.
I vissa magnetiska material binds mindre grupper av atomer samman i områden som kallas domäner, där alla elektroner har samma magnetiska orientering.
I NTNU-magneterna möts dessa domäner vid en central punkt – virvelkärnan – där det magnetiska momentet pekar direkt in i eller ut ur materialets plan.
”När vi applicerar ett magnetfält kommer fler och fler av dessa domäner att peka i samma riktning”, säger Folven. ”De kan växa och de kan krympa, och sedan kan de smälta samman med varandra.”
Elektroner nästan med ljusets hastighet
Att se detta hända är inte lätt. Forskarna tog sina mikromagneter till en 80 meter bred munkformad synkrotron, känd som BESSY II, i Berlin, där elektroner accelereras tills de färdas med nästan ljusets hastighet. Dessa snabbt rörliga elektroner avger sedan extremt ljusa röntgenstrålar.
"Vi tar dessa röntgenstrålar och använder dem som ljus i vårt mikroskop", säger Folven.
Eftersom elektroner färdas runt synkrotronen i buntar separerade med två nanosekunder, kommer röntgenstrålarna de avger i exakta pulser.
Ett svepande transmissionsröntgenmikroskop, eller STXM, tar dessa röntgenstrålar för att skapa en ögonblicksbild av materialets magnetiska struktur. Genom att sammanfoga dessa ögonblicksbilder kan forskarna i princip skapa en film som visar hur mikromagneten förändras över tid.
Med hjälp av STXM störde Folven och hans kollegor sina mikromagneter med en strömpuls som genererade ett magnetfält, och såg domänerna ändra form och virvelkärnan röra sig från centrum.
”Man har en väldigt liten magnet, och sedan petar man på den och försöker avbilda den när den lägger sig igen”, säger han. Efteråt såg de kärnan återvända till mitten – men längs en slingrande bana, inte en rak linje.
"Det kommer liksom att dansa tillbaka till mitten", säger Folven.
Ett hopp och det är över
Det beror på att de studerar epitaxiella material, som skapas ovanpå ett substrat som gör det möjligt för forskare att justera materialets egenskaper, men som skulle blockera röntgenstrålarna i en STXM.
Forskarna arbetade på NTNU NanoLab och löste substratproblemet genom att begrava sin mikromagnet under ett lager av kol för att skydda dess magnetiska egenskaper.
Sedan flisade de försiktigt och exakt bort substratet under med en fokuserad stråle av galliumjoner tills bara ett mycket tunt lager återstod. Den mödosamma processen kunde ta åtta timmar per prov – och ett misstag kunde innebära katastrof.
”Det avgörande är att om man tar bort magnetismen så vet vi inte det innan vi sitter i Berlin”, säger han. ”Tricket är förstås att ta med sig mer än ett prov.”
Från grundläggande fysik till framtidens apparater
Som tur var fungerade det, och teamet använde sina noggrant förberedda prover för att kartlägga hur mikromagnetens domäner växer och krymper över tid. De skapade också datorsimuleringar för att bättre förstå vilka krafter som var verksamma.
Förutom att förbättra vår kunskap om grundläggande fysik kan förståelse för hur magnetism fungerar vid dessa längd- och tidsskalor vara till hjälp för att skapa framtida anordningar.
Magnetism används redan för datalagring, men forskare letar för närvarande efter sätt att utnyttja den ytterligare. De magnetiska orienteringarna hos virvelkärnan och domänerna hos en mikromagnet skulle till exempel kanske kunna användas för att koda information i form av 0s och 1s.
Forskarna siktar nu på att upprepa detta arbete med antiferromagnetiska material, där nettoeffekten av de individuella magnetiska momenten tar ut varandra. Dessa är lovande när det gäller beräkningar – i teorin skulle antiferromagnetiska material kunna användas för att tillverka enheter som kräver lite energi och förblir stabila även vid strömavbrott – men mycket svårare att undersöka eftersom signalerna de producerar kommer att vara mycket svagare.
Trots den utmaningen är Folven optimistisk. ”Vi har täckt den första biten genom att visa att vi kan göra prover och granska dem med röntgen”, säger han. ”Nästa steg blir att se om vi kan göra prover av tillräckligt hög kvalitet för att få tillräckligt med signal från ett antiferromagnetiskt material.”
Publiceringstid: 10 maj 2021