Các nhà nghiên cứu từ NTNU đang làm sáng tỏ các vật liệu từ tính ở quy mô nhỏ bằng cách tạo ra các bộ phim với sự trợ giúp của một số tia X cực sáng.
Erik Folven, đồng giám đốc nhóm điện tử oxit tại Khoa Hệ thống Điện tử của NTNU, cùng các đồng nghiệp từ NTNU và Đại học Ghent ở Bỉ đã bắt tay vào nghiên cứu cách các vi nam châm màng mỏng thay đổi khi bị nhiễu bởi từ trường bên ngoài. Nghiên cứu, được tài trợ một phần bởi NTNU Nano và Hội đồng Nghiên cứu Na Uy, đã được công bố trên tạp chí Physical Review Research.
Nam châm nhỏ
Einar Standal Digernes đã phát minh ra những nam châm hình vuông nhỏ được sử dụng trong các thí nghiệm.
Những nam châm hình vuông nhỏ, do ứng viên tiến sĩ Einar Standal Digernes của NTNU tạo ra, chỉ rộng hai micromet và được chia thành bốn miền hình tam giác, mỗi miền có hướng từ tính khác nhau chỉ theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ xung quanh nam châm.
Trong một số vật liệu từ tính, các nhóm nguyên tử nhỏ hơn liên kết với nhau thành các vùng gọi là miền từ tính, trong đó tất cả các electron đều có cùng một hướng từ tính.
Trong nam châm NTNU, các miền này gặp nhau tại một điểm trung tâm—lõi xoáy—nơi mô men từ hướng trực tiếp vào hoặc ra khỏi mặt phẳng của vật liệu.
"Khi chúng ta áp dụng từ trường, ngày càng nhiều các miền này sẽ hướng về cùng một hướng", Folven nói. "Chúng có thể lớn lên, có thể co lại, và sau đó có thể hợp nhất vào nhau."
Electron gần bằng tốc độ ánh sáng
Chứng kiến điều này xảy ra không hề dễ dàng. Các nhà nghiên cứu đã mang các vi nam châm của họ đến một máy gia tốc hình bánh donut rộng 80m, được gọi là BESSY II, ở Berlin, nơi các electron được gia tốc cho đến khi chúng di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Những electron chuyển động nhanh đó sau đó phát ra tia X cực mạnh.
Folven cho biết: “Chúng tôi lấy những tia X này và sử dụng chúng như ánh sáng trong kính hiển vi”.
Vì các electron di chuyển xung quanh máy gia tốc synchrotron theo từng chùm cách nhau hai nano giây nên tia X mà chúng phát ra sẽ đi theo các xung chính xác.
Kính hiển vi tia X truyền qua quét, hay STXM, sử dụng các tia X đó để tạo ra ảnh chụp nhanh cấu trúc từ tính của vật liệu. Bằng cách ghép các ảnh chụp nhanh này lại với nhau, các nhà nghiên cứu về cơ bản có thể tạo ra một đoạn phim cho thấy sự thay đổi của vi nam châm theo thời gian.
Với sự trợ giúp của STXM, Folven và các đồng nghiệp đã làm nhiễu các vi nam châm của họ bằng một xung dòng điện tạo ra từ trường và thấy các miền thay đổi hình dạng và lõi xoáy di chuyển từ tâm.
"Bạn có một nam châm rất nhỏ, sau đó bạn chọc vào nó và cố gắng hình dung nó khi nó lắng xuống trở lại", ông nói. Sau đó, họ thấy lõi quay trở lại giữa - nhưng theo một đường quanh co, không phải đường thẳng.
Folven cho biết: "Nó sẽ nhảy trở lại trung tâm".
Một lần trượt chân và mọi chuyện kết thúc
Đó là vì họ nghiên cứu vật liệu epitaxial, được tạo ra trên một chất nền cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh các đặc tính của vật liệu, nhưng sẽ chặn tia X trong STXM.
Làm việc tại NTNU NanoLab, các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề về chất nền bằng cách chôn nam châm siêu nhỏ dưới một lớp carbon để bảo vệ tính chất từ tính của nó.
Sau đó, họ cẩn thận và chính xác đục bỏ lớp nền bên dưới bằng một chùm ion gali tập trung cho đến khi chỉ còn lại một lớp rất mỏng. Quá trình tỉ mỉ này có thể mất tám giờ cho mỗi mẫu—và chỉ cần một sai sót nhỏ cũng có thể dẫn đến thảm họa.
“Điều quan trọng là, nếu bạn làm mất từ tính, chúng ta sẽ không biết điều đó cho đến khi chúng ta đến Berlin,” ông nói. “Bí quyết, tất nhiên, là phải mang theo nhiều hơn một mẫu.”
Từ vật lý cơ bản đến các thiết bị tương lai
May mắn thay, nó đã hoạt động, và nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mẫu được chuẩn bị cẩn thận của mình để lập biểu đồ về cách các miền của vi nam châm phát triển và co lại theo thời gian. Họ cũng tạo ra các mô phỏng máy tính để hiểu rõ hơn về các lực tác động.
Ngoài việc nâng cao kiến thức về vật lý cơ bản, việc hiểu cách từ tính hoạt động ở các thang độ dài và thời gian này có thể hữu ích trong việc tạo ra các thiết bị trong tương lai.
Từ tính đã được sử dụng để lưu trữ dữ liệu, nhưng các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách khai thác nó sâu hơn nữa. Ví dụ, hướng từ tính của lõi xoáy và các miền từ tính của một vi nam châm có thể được sử dụng để mã hóa thông tin dưới dạng 0 và 1.
Các nhà nghiên cứu hiện đang hướng tới việc lặp lại công trình này với các vật liệu phản sắt từ, trong đó hiệu ứng tổng của các mômen từ riêng lẻ bị triệt tiêu. Những vật liệu này rất hứa hẹn trong lĩnh vực điện toán - về mặt lý thuyết, vật liệu phản sắt từ có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị tiêu thụ ít năng lượng và vẫn ổn định ngay cả khi mất điện - nhưng việc nghiên cứu sẽ khó khăn hơn nhiều vì tín hiệu chúng tạo ra sẽ yếu hơn nhiều.
Bất chấp thách thức đó, Folven vẫn lạc quan. "Chúng tôi đã đạt được bước tiến đầu tiên bằng cách chứng minh rằng chúng tôi có thể tạo ra các mẫu và quan sát chúng bằng tia X", ông nói. "Bước tiếp theo sẽ là xem liệu chúng tôi có thể tạo ra các mẫu có chất lượng đủ cao để thu được đủ tín hiệu từ vật liệu phản sắt từ hay không."
Thời gian đăng: 10-05-2021