Forskare från NTNU belyser magnetiska material i liten skala genom att skapa filmer med hjälp av några extremt ljusstarka röntgenstrålar.
Erik Folven, meddirektör för oxidelektronikgruppen vid NTNU:s institution för elektroniska system, och kollegor från NTNU och Gent University i Belgien ger sig ut för att se hur tunnfilmsmikromagneter förändras när de störs av ett yttre 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 Ph.D.kandidat Einar Standal Digernes, är bara två mikrometer breda och uppdelade i fyra triangulära domäner, var och en med olika magnetisk orientering som pekar medurs eller moturs runt magneterna.
I vissa magnetiska material binds mindre grupper av atomer samman till områden som kallas domäner, där alla elektroner har samma magnetiska orientering.
I NTNU-magneterna möts dessa domäner i 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 in i varandra."
Elektroner nästan med ljusets hastighet
Att se detta hända är inte lätt.Forskarna tog sina mikromagneter till en 80 m 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 ljuset i vårt mikroskop", säger Folven.
Eftersom elektroner färdas runt synkrotronen i buntar åtskilda med två nanosekunder kommer röntgenstrålarna de sänder ut i exakta pulser.
Ett röntgenmikroskop med skanningöverföring, eller STXM, tar dessa röntgenstrålar för att skapa en ögonblicksbild av materialets magnetiska struktur.Genom att sy ihop dessa ögonblicksbilder kan forskarna i huvudsak skapa en film som visar hur mikromagneten förändras över tiden.
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 centrum.
"Du har en väldigt liten magnet, och sedan petar du i den och försöker avbilda den när den lägger sig igen", säger han.Efteråt såg de kärnan återvända till mitten – men längs en slingrande stig, inte en rak linje.
"Det kommer liksom att dansa tillbaka till centrum", säger Folven.
En slip 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 egenskaperna hos materialet, men som skulle blockera röntgenstrålar i en STXM.
Genom att arbeta i NTNU NanoLab löste forskarna substratproblemet genom att gräva ner 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 endast ett mycket tunt lager återstod.Den mödosamma processen kan ta åtta timmar per prov – och ett fall kan innebära en katastrof.
"Det kritiska är att om du dödar magnetismen kommer vi inte att veta det innan vi sitter i Berlin," säger han."Knepet 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 över tiden.De skapade också datorsimuleringar för att bättre förstå vilka krafter som verkade.
Förutom att främja våra kunskaper om grundläggande fysik, kan förståelse av hur magnetism fungerar vid dessa längd- och tidsskalor vara till hjälp för att skapa framtida enheter.
Magnetism används redan för datalagring, men forskare letar för närvarande efter sätt att utnyttja den ytterligare.De magnetiska orienteringarna av virvelkärnan och domänerna i en mikromagnet kan till exempel kanske användas för att koda information i form av nollor och ettor.
Forskarna siktar nu på att upprepa detta arbete med anti-ferromagnetiska material, där nettoeffekten av de individuella magnetiska momenten tar ut.Dessa är lovande när det kommer till datoranvändning - i teorin kan antiferromagnetiska material användas för att göra enheter som kräver lite energi och förblir stabila även när strömmen 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 blir att se om vi kan göra prover av tillräckligt hög kvalitet för att få tillräckligt med signal från ett antiferromagnetiskt material."
Posttid: 10 maj 2021