NTNU'dan araştırmacılar, son derece parlak X ışınları yardımıyla filmler oluşturarak manyetik malzemelerin küçük ölçeklerdeki özelliklerine ışık tutuyorlar.
NTNU Elektronik Sistemler Bölümü'ndeki oksit elektronik grubunun eş direktörü Erik Folven ve NTNU ile Belçika'daki Ghent Üniversitesi'nden meslektaşları, ince film mikromıknatısların dış manyetik alan tarafından etkilendiğinde nasıl değiştiğini görmek için bir çalışma başlattılar. Kısmen NTNU Nano ve Norveç Araştırma Konseyi tarafından finanse edilen çalışma, Physical Review Research dergisinde yayınlandı.
Küçük mıknatıslar
Deneylerde kullanılan minik kare mıknatısları Einar Standal Digernes icat etti.
NTNU doktora adayı Einar Standal Digernes tarafından oluşturulan minik kare mıknatıslar, yalnızca iki mikrometre genişliğinde olup, her biri mıknatısların etrafında saat yönünde veya saat yönünün tersine farklı bir manyetik yönelime sahip dört üçgen alana bölünmüştür.
Bazı manyetik malzemelerde, daha küçük atom grupları, tüm elektronların aynı manyetik yönelime sahip olduğu alanlar olan bölgeler halinde bir araya gelir.
NTNU mıknatıslarında, bu alanlar merkezi bir noktada, yani girdap çekirdeğinde buluşur; burada manyetik moment, malzemenin düzlemine doğrudan içeri veya dışarı doğru yönelir.
Folven, "Manyetik bir alan uyguladığımızda, bu alanların giderek daha fazlası aynı yöne doğru yönelecektir," diyor. "Büyüyebilirler, küçülebilirler ve sonra birbirleriyle birleşebilirler."
Elektronlar neredeyse ışık hızında
Bunun gerçekleştiğini görmek kolay değil. Araştırmacılar mikromıknatıslarını, elektronların neredeyse ışık hızına ulaşana kadar hızlandırıldığı Berlin'deki BESSY II olarak bilinen 80 metre genişliğinde, halka şeklinde bir senkrotrona götürdüler. Bu hızlı hareket eden elektronlar daha sonra son derece parlak X ışınları yayıyor.
Folven, "Bu röntgen ışınlarını alıp mikroskobumuzda ışık olarak kullanıyoruz," diyor.
Elektronlar senkrotron içinde iki nanosaniye arayla ayrılmış demetler halinde hareket ettikleri için, yaydıkları X ışınları hassas darbeler halinde gelir.
Tarama iletimli X-ışını mikroskobu (STXM), malzemenin manyetik yapısının anlık görüntüsünü oluşturmak için bu X-ışınlarını kullanır. Araştırmacılar, bu anlık görüntüleri bir araya getirerek, mikromıknatısın zaman içinde nasıl değiştiğini gösteren bir film oluşturabilirler.
Folven ve meslektaşları, STXM'nin yardımıyla mikromıknatıslarını manyetik alan oluşturan bir akım darbesiyle bozdular ve alanların şeklinin değiştiğini ve girdap çekirdeğinin merkezden uzaklaştığını gözlemlediler.
"Çok küçük bir mıknatısınız var, sonra ona dokunuyorsunuz ve tekrar yerine otururken görüntüsünü almaya çalışıyorsunuz," diyor. Daha sonra, çekirdeğin merkeze geri döndüğünü gördüler; ancak düz bir çizgi boyunca değil, dolambaçlı bir yol izleyerek.
"Bir nevi merkeze doğru dans ederek geri dönecek," diyor Folven.
Tek bir hata her şeyi bitirebilir.
Çünkü onlar, araştırmacıların malzemenin özelliklerini değiştirmesine olanak tanıyan ancak STXM'deki X ışınlarını engelleyecek bir alt tabaka üzerine oluşturulan epitaksiyel malzemeleri inceliyorlar.
NTNU NanoLab'da çalışan araştırmacılar, mikromıknatıslarını manyetik özelliklerini korumak için bir karbon tabakasının altına gömerek alt tabaka sorununu çözdüler.
Ardından, alttaki alt tabakayı, odaklanmış bir galyum iyonu ışınıyla dikkatlice ve hassas bir şekilde kazıyarak, geriye sadece çok ince bir tabaka kalana kadar işlemi sürdürdüler. Bu zahmetli işlem, numune başına sekiz saat sürebiliyordu ve tek bir hata felakete yol açabilirdi.
"Önemli olan şu ki, eğer manyetizmayı öldürürseniz, Berlin'de oturmadan önce bunu bilemeyiz," diyor. "İşin püf noktası elbette birden fazla örnek getirmek."
Temel fizikten geleceğin cihazlarına
Neyse ki işe yaradı ve ekip, özenle hazırladıkları örnekleri kullanarak mikromıknatısın etki alanlarının zaman içinde nasıl büyüyüp küçüldüğünü haritalandırdı. Ayrıca, hangi kuvvetlerin etkili olduğunu daha iyi anlamak için bilgisayar simülasyonları da oluşturdular.
Temel fizik bilgimizi ilerletmenin yanı sıra, manyetizmanın bu uzunluk ve zaman ölçeklerinde nasıl çalıştığını anlamak, gelecekteki cihazların geliştirilmesinde de faydalı olabilir.
Manyetizma halihazırda veri depolama için kullanılıyor, ancak araştırmacılar şu anda bundan daha fazla yararlanmanın yollarını arıyorlar. Örneğin, bir mikromıknatısın girdap çekirdeğinin ve alanlarının manyetik yönelimleri, 0'lar ve 1'ler şeklinde bilgi kodlamak için kullanılabilir.
Araştırmacılar şimdi bu çalışmayı, bireysel manyetik momentlerin net etkisinin birbirini götürdüğü antiferromanyetik malzemelerle tekrarlamayı hedefliyorlar. Bu malzemeler, teorik olarak az enerji gerektiren ve güç kaybı durumunda bile kararlı kalan cihazlar üretmek için kullanılabilecekleri için bilgisayar alanında umut vaat ediyor; ancak ürettikleri sinyaller çok daha zayıf olacağı için incelenmeleri çok daha zor.
Bu zorluğa rağmen Folven iyimser. "Örnekler üretebildiğimizi ve bunları X ışınlarıyla inceleyebildiğimizi göstererek ilk adımı attık," diyor. "Bir sonraki adım, antiferromanyetik bir malzemeden yeterli sinyal alabilmek için yeterince yüksek kalitede örnekler üretebilip üretemeyeceğimizi görmek olacak."
Yayın tarihi: 10 Mayıs 2021