Forskare från NTNU belyser magnetiska material på små skalor genom att skapa filmer med hjälp av några extremt ljusa röntgenstrålar.
Erik Folven, meddirektör för Oxide Electronics Group vid NTNU: s avdelning för elektroniska system, och kollegor från NTNU och Ghent University i Belgien avsåg hur tunnfilmmikromagneter förändras när de störs av ett extern magnetfält. Arbetet, delvis finansierat av NTNU Nano och forskningsrådet i Norge, 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 Ph.D. Kandidaten Einar Standal Digernes, är bara två mikrometer breda och delas upp i fyra triangulära domäner, var och en med en annan magnetisk orientering som pekar medurs eller moturs runt magneterna.
I vissa magnetiska material bandas mindre grupper av atomer 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 eller ut ur materialets plan.
"När vi tillämpar 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 till varandra."
Elektroner nästan med ljusets hastighet
Att se detta hända är inte lätt. Forskarna tog sina mikromagneter till en 80 m bred donutformad synkrotron, känd som Bessy II, i Berlin, där elektroner accelereras tills de reser med nästan ljusets hastighet. De snabbt rörande elektronerna avger sedan extremt ljusa röntgenstrålar.
"Vi tar dessa röntgenstrålar och använder dem som ljus i vårt mikroskop," säger Folven.
Eftersom elektroner reser runt synkrotronen i grupper separerade av två nanosekunder, kommer röntgenstrålarna som de avger i exakta pulser.
Ett skanningsöverföring röntgenmikroskop, eller STXM, tar dessa röntgenstrålar för att skapa en ögonblicksbild av materialets magnetiska struktur. Genom att sy dessa ögonblicksbilder tillsammans kan forskarna i huvudsak 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 flytta från mitten.
"Du har en mycket liten magnet, och sedan pekar du den och försöker avbilda den när den sätter sig igen," säger han. Efteråt såg de kärnan återgå till mitten - men längs en slingrande väg, inte en rak linje.
"Det kommer att dansa tillbaka till centrum," säger Folven.
En slip och det är över
Det beror på att de studerar epitaxiala material, som skapas ovanpå ett underlag som gör det möjligt för forskare att finjustera materialets egenskaper, men skulle blockera röntgenstrålarna i en STXM.
I NTNU -nanolab löste forskarna underlagsproblemet genom att begrava deras mikromagnet under ett lager av kol för att skydda dess magnetiska egenskaper.
Sedan flisade de försiktigt och exakt bort underlaget under med en fokuserad stråle av galliumjoner tills bara ett mycket tunt skikt återstod. Den noggranna processen kan ta åtta timmar per prov - och en glidning kan stava katastrof.
"Det kritiska är att om du dödar magnetismen kommer vi inte att veta det innan vi sitter i Berlin," säger han. "Tricket är naturligtvis att ta med mer än ett prov."
Från grundläggande fysik till framtida enheter
Tack och lov fungerade det, och teamet använde sina noggrant förberedda prover för att kartlägga hur mikromagnetens domäner växer och krymper med tiden. De skapade också datorsimuleringar för att bättre förstå vilka krafter som var på jobbet.
Förutom att främja vår kunskap om grundläggande fysik, förstå hur magnetism fungerar på dessa längd- och tidsskalor kan vara till hjälp för att skapa framtida enheter.
Magnetism används redan för datalagring, men forskare letar för närvarande efter sätt att utnyttja det ytterligare. De magnetiska orienteringarna för virvelkärnan och domäner i en mikromagnet, till exempel, kan kanske användas för att koda information i form av 0s och 1s.
Forskarna syftar nu till att upprepa detta arbete med anti-ferromagnetiska material, där nettoeffekten av de enskilda magnetiska stunderna avbryter. Dessa är lovande när det gäller datoranvändning-i teori kan anti-ferromagnetiska material användas för att skapa enheter som kräver lite energi och förblir stabil även när kraften går förlorad-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 marken genom att visa att vi kan göra prover och titta igenom dem med röntgenstrålar," säger han. "Nästa steg är att se om vi kan göra prover av tillräckligt hög kvalitet för att få tillräckligt med signal från ett anti-ferromagnetiskt material."
Posttid: maj-10-2021