วิธีใหม่ในการดูการทำงานภายในของแม่เหล็กเล็ก ๆ

นักวิจัยจาก NTNU กำลังส่องแสงบนวัสดุแม่เหล็กในระดับเล็ก ๆ โดยการสร้างภาพยนตร์ด้วยความช่วยเหลือของรังสีเอกซ์ที่สดใสมาก

Erik Folven ผู้อำนวยการร่วมของกลุ่ม Electronics ออกไซด์ที่ภาควิชาระบบอิเล็กทรอนิกส์ของ NTNU และเพื่อนร่วมงานจาก NTNU และ Ghent University ในเบลเยียมได้ออกเดินทางเพื่อดูว่า Micromagnets แบบฟิล์มบางเปลี่ยนอย่างไรเมื่อถูกรบกวนจากสนามแม่เหล็กภายนอก งานที่ได้รับทุนบางส่วนได้รับทุนจาก NTNU Nano และสภาวิจัยแห่งนอร์เวย์ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารการวิจัยการทบทวนทางกายภาพ

แม่เหล็กเล็ก ๆ

Einar Standal Digernes คิดค้นแม่เหล็กสี่เหลี่ยมเล็ก ๆ ที่ใช้ในการทดลอง

แม่เหล็กสี่เหลี่ยมเล็ก ๆ ที่สร้างโดย NTNU Ph.D. ผู้สมัคร Einar Standal Digernes มีความกว้างเพียงสอง micrometers และแบ่งออกเป็นสี่โดเมนสามเหลี่ยมแต่ละโดเมนมีการวางแนวแม่เหล็กที่แตกต่างกันชี้ตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิการอบแม่เหล็ก

ในวัสดุแม่เหล็กบางชนิดกลุ่มอะตอมขนาดเล็กรวมเข้าด้วยกันในพื้นที่ที่เรียกว่าโดเมนซึ่งอิเล็กตรอนทั้งหมดมีการวางแนวแม่เหล็กเดียวกัน

ในแม่เหล็ก NTNU โดเมนเหล่านี้พบกันที่จุดศูนย์กลาง - แกนกระแสน้ำวน - ที่ซึ่งช่วงเวลาแม่เหล็กชี้ไปที่หรือออกจากระนาบของวัสดุโดยตรง

“ เมื่อเราใช้สนามแม่เหล็กโดเมนเหล่านี้มากขึ้นเรื่อย ๆ จะชี้ไปในทิศทางเดียวกัน” Folven กล่าว “ พวกเขาสามารถเติบโตและพวกเขาสามารถหดตัวและจากนั้นพวกเขาสามารถรวมเข้าด้วยกัน”

อิเล็กตรอนเกือบจะด้วยความเร็วแสง

การเห็นสิ่งนี้เกิดขึ้นไม่ใช่เรื่องง่าย นักวิจัยนำ micromagnets ของพวกเขาไปยัง synchrotron รูปโดนัทกว้าง 80 ม. หรือที่รู้จักกันในชื่อ Bessy II ในกรุงเบอร์ลินซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกเร่งจนกว่าพวกเขาจะเดินทางด้วยความเร็วแสงเกือบ อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วเหล่านั้นปล่อยรังสีเอกซ์ที่สดใสมาก

“ เราใช้รังสีเอกซ์เหล่านี้และใช้เป็นแสงในกล้องจุลทรรศน์ของเรา” Folven กล่าว

เนื่องจากอิเล็กตรอนเดินทางไปรอบ ๆ synchrotron ในพวงที่คั่นด้วยสองนาโนวินาทีรังสีเอกซ์ที่พวกเขาปล่อยออกมาในพัลส์ที่แม่นยำ

กล้องจุลทรรศน์เอ็กซ์เรย์ส่งผ่านการสแกนหรือ STXM ใช้ X-rays เหล่านั้นเพื่อสร้างภาพรวมของโครงสร้างแม่เหล็กของวัสดุ โดยการเย็บภาพรวมเหล่านี้เข้าด้วยกันนักวิจัยสามารถสร้างภาพยนตร์ที่แสดงให้เห็นว่าไมโครมิเตอร์มีการเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป

ด้วยความช่วยเหลือของ STXM, Folven และเพื่อนร่วมงานของเขารบกวน micromagnets ของพวกเขาด้วยชีพจรของกระแสไฟฟ้าที่สร้างสนามแม่เหล็กและเห็นโดเมนเปลี่ยนรูปร่างและแกนกระแสน้ำวนย้ายจากศูนย์กลาง

“ คุณมีแม่เหล็กขนาดเล็กมากจากนั้นคุณก็โผล่มันและพยายามที่จะถ่ายภาพขณะที่มันตกลงกันอีกครั้ง” เขากล่าว หลังจากนั้นพวกเขาเห็นแกนกลับไปที่กลาง - แต่ไปตามเส้นทางที่คดเคี้ยวไม่ใช่เส้นตรง

“ มันจะเต้นกลับไปที่ศูนย์” Folven กล่าว

หนึ่งสลิปและมันจบแล้ว

นั่นเป็นเพราะพวกเขาศึกษาวัสดุ epitaxial ซึ่งสร้างขึ้นบนพื้นผิวที่ช่วยให้นักวิจัยสามารถปรับแต่งคุณสมบัติของวัสดุ แต่จะปิดกั้นรังสีเอกซ์ใน STXM

การทำงานใน NTNU nanolab นักวิจัยได้แก้ไขปัญหาพื้นผิวโดยการฝัง micromagnet ของพวกเขาไว้ใต้ชั้นของคาร์บอนเพื่อปกป้องคุณสมบัติแม่เหล็ก

จากนั้นพวกเขาก็บิ่นพื้นผิวอย่างระมัดระวังและแม่นยำภายใต้ลำแสงที่มุ่งเน้นของแกลเลียมไอออนจนกระทั่งมีเพียงชั้นบาง ๆ ที่ยังคงอยู่ กระบวนการที่ต้องใช้ความเจ็บปวดอาจใช้เวลาแปดชั่วโมงต่อตัวอย่าง - และการลื่นหนึ่งครั้งอาจทำให้เกิดภัยพิบัติ

“ สิ่งสำคัญคือถ้าคุณฆ่าแม่เหล็กเราจะไม่รู้ว่าก่อนที่เราจะนั่งในเบอร์ลิน” เขากล่าว “ แน่นอนว่าเคล็ดลับคือการนำตัวอย่างมากกว่าหนึ่งตัวอย่าง”

จากฟิสิกส์พื้นฐานไปจนถึงอุปกรณ์ในอนาคต

โชคดีที่มันใช้งานได้และทีมใช้ตัวอย่างที่เตรียมไว้อย่างระมัดระวังเพื่อจัดทำแผนภูมิว่าโดเมนของ Micromagnet เติบโตและหดตัวลงเมื่อเวลาผ่านไป พวกเขายังสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อทำความเข้าใจว่ากองกำลังกำลังทำงานอยู่อย่างไร

เช่นเดียวกับการพัฒนาความรู้ของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์พื้นฐานการทำความเข้าใจว่าแม่เหล็กทำงานอย่างไรในระยะเวลาและช่วงเวลาเหล่านี้อาจเป็นประโยชน์ในการสร้างอุปกรณ์ในอนาคต

Magnetism ใช้สำหรับการจัดเก็บข้อมูลแล้ว แต่นักวิจัยกำลังมองหาวิธีที่จะใช้ประโยชน์จากมันต่อไป ตัวอย่างเช่นการวางแนวแม่เหล็กของแกนกระแสน้ำวนและโดเมนของไมโครมิเตอร์อาจใช้เพื่อเข้ารหัสข้อมูลในรูปแบบของ 0s และ 1s

ขณะนี้นักวิจัยกำลังตั้งเป้าหมายที่จะทำซ้ำงานนี้ด้วยวัสดุต่อต้านแม่เหล็กซึ่งเป็นผลกระทบสุทธิของช่วงเวลาแม่เหล็กแต่ละช่วงเวลายกเลิก สิ่งเหล่านี้มีแนวโน้มเมื่อพูดถึงการคำนวณ-ในทฤษฎีวัสดุต่อต้านแม่เหล็กที่เป็นเส้นผมสามารถใช้ในการสร้างอุปกรณ์ที่ต้องใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยและยังคงมีเสถียรภาพแม้ว่าพลังงานจะหายไป-แต่มีความยุ่งยากมากขึ้นในการตรวจสอบเพราะสัญญาณที่พวกเขาผลิตจะอ่อนแอลงมาก

แม้จะมีความท้าทายนั้น Folven ก็มองโลกในแง่ดี “ เราได้ครอบคลุมพื้นดินครั้งแรกโดยแสดงให้เห็นว่าเราสามารถสร้างตัวอย่างและมองผ่านพวกเขาด้วยรังสีเอกซ์” เขากล่าว “ ขั้นตอนต่อไปคือการดูว่าเราสามารถสร้างตัวอย่างที่มีคุณภาพสูงเพียงพอหรือไม่เพื่อให้ได้สัญญาณเพียงพอจากวัสดุต่อต้านการกอรีโมนาติก”