NTNU araştırmacıları, son derece parlak X ışınlarının yardımıyla filmler oluşturarak küçük ölçeklerde manyetik malzemeler hakkında ışık tutuyorlar.
NTNU Elektronik Sistemler Bölümü'ndeki oksit elektroniği grubunun eş direktörü Erik Folven ve Belçika'daki NTNU ve Ghent Üniversitesi'nden meslektaşları, ince film mikromıknatısların dış bir manyetik alan tarafından bozulduğunda nasıl değiştiğini incelemeye koyuldu. 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 sadece iki mikrometre genişliğinde ve her biri mıknatısların etrafında saat yönünde veya saat yönünün tersine işaret eden farklı bir manyetik yönelime sahip dört üçgen alana ayrılmış.
Bazı manyetik malzemelerde, daha küçük atom grupları, tüm elektronların aynı manyetik yönelime sahip olduğu alanlar adı verilen alanlarda bir araya gelir.
NTNU mıknatıslarında bu alanlar merkezi bir noktada, yani girdap çekirdeğinde buluşur; burada manyetik moment doğrudan malzemenin düzleminin içine veya dışına işaret eder.
Folven, "Manyetik 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 Berlin'deki BESSY II olarak bilinen 80 metre genişliğindeki halka şeklindeki bir senkrotrona götürdüler. Burada elektronlar neredeyse ışık hızına ulaşana kadar hızlandırılıyor. Bu hızlı hareket eden elektronlar daha sonra son derece parlak X-ışınları yayıyor.
Folven, "Bu röntgen ışınlarını alıp mikroskobumuzdaki ışık olarak kullanıyoruz" diyor.
Elektronlar senkrotron etrafında iki nanosaniyelik aralıklarla demetler halinde hareket ettiğinden, yaydıkları X-ışınları hassas darbeler halinde gelir.
Taramalı transmisyonlu X-ışını mikroskobu veya kısaca STXM, bu X-ışınlarını alarak malzemenin manyetik yapısının anlık görüntüsünü oluşturur. Araştırmacılar, bu anlık görüntüleri birleştirerek, mikromıknatısın zaman içinde nasıl değiştiğini gösteren bir film oluşturabilirler.
Folven ve meslektaşları, STXM'nin yardımıyla, manyetik alan oluşturan bir akım darbesiyle mikromıknatıslarını bozdular ve etki alanlarının şekil değiştirdiğini ve girdap çekirdeğinin merkezden hareket ettiğini gördüler.
"Çok küçük bir mıknatısınız var, sonra onu dürtüp tekrar yerleşirken görüntüsünü almaya çalışıyorsunuz," diyor. Sonrasında, çekirdeğin merkeze geri döndüğünü gördüler; ancak düz bir çizgide değil, kıvrımlı bir yolda.
Folven, "Bir nevi merkeze doğru geri dönecek" diyor.
Bir kayma ve biter
Bunun nedeni, araştırmacıların malzemenin özelliklerini değiştirmelerine olanak tanıyan ancak bir STXM'deki X ışınlarını engelleyen bir alt tabakanın üzerinde oluşturulan epitaksiyel malzemeleri incelemeleridir.
NTNU NanoLab'da çalışan araştırmacılar, mikromıknatıslarını manyetik özelliklerini korumak için bir karbon tabakasının altına gömerek alt tabaka sorununu çözdüler.
Ardından, galyum iyonlarından oluşan odaklanmış bir ışın demetiyle, alttaki alt tabakayı dikkatlice ve hassas bir şekilde aşındırdılar ve geriye yalnızca çok ince bir tabaka kaldı. Bu titiz işlem, numune başına sekiz saat sürebiliyordu ve tek bir hata felakete yol açabilirdi.
"Önemli olan şu ki, manyetizmayı öldürürseniz, bunu Berlin'e oturmadan önce bilemeyiz," diyor. "İşin püf noktası elbette birden fazla numune getirmek."
Temel fizikten geleceğin cihazlarına
Neyse ki işe yaradı ve ekip, özenle hazırladıkları numuneleri kullanarak mikromıknatısın etki alanlarının zaman içinde nasıl büyüyüp küçüldüğünü grafikledi. Ayrıca, hangi kuvvetlerin iş başında olduğunu daha iyi anlamak için bilgisayar simülasyonları oluşturdular.
Temel fizik bilgimizi ilerletmenin yanı sıra, manyetizmanın bu uzunluk ve zaman ölçeklerinde nasıl çalıştığını anlamak, gelecekteki cihazların yaratılmasında da yardımcı olabilir.
Manyetizma halihazırda veri depolama için kullanılıyor, ancak araştırmacılar şu anda bundan daha fazla yararlanmanın yollarını arıyorlar. Örneğin, bir mikromıknatısın girdap çekirdeğinin ve etki alanlarının manyetik yönelimleri, bilgileri 0'lar ve 1'ler şeklinde kodlamak için kullanılabilir.
Araştırmacılar şimdi, tek tek manyetik momentlerin net etkisinin sıfırlandığı anti-ferromanyetik malzemelerle bu çalışmayı tekrarlamayı hedefliyorlar. Bunlar, hesaplama açısından umut vericidir; teoride, anti-ferromanyetik malzemeler, az enerji gerektiren ve güç kesintisi olduğunda bile kararlı kalan cihazlar yapmak için kullanılabilir; ancak ürettikleri sinyaller çok daha zayıf olacağı için araştırılması çok daha zordur.
Bu zorluğa rağmen Folven iyimser. "Örnekler üretip X-ışınlarıyla inceleyebileceğimizi göstererek ilk adımı attık," diyor. "Bir sonraki adım, anti-ferromanyetik bir malzemeden yeterli sinyal alabilecek kadar yüksek kalitede örnekler üretip üretemeyeceğimizi görmek olacak."
Gönderim zamanı: 10 Mayıs 2021