Forscher der NTNU beleuchten magnetische Materialien in kleinem Maßstab, indem sie Filme mit Hilfe einiger extrem heller Röntgenstrahlen erstellen.
Erik Folven, Co-Direktor der Oxidelektronik-Gruppe am Department of Electronic Systems der NTNU, und Kollegen von der NTNU und der Universität Gent in Belgien machten sich daran, zu sehen, wie sich Dünnfilm-Mikromagnete verändern, wenn sie durch ein äußeres Magnetfeld gestört werden.Die teilweise von NTNU Nano und dem Research Council of Norway finanzierte Arbeit wurde in der Zeitschrift Physical Review Research veröffentlicht.
Winzige Magnete
Einar Standal Digernes erfand die winzigen quadratischen Magnete, die in den Experimenten verwendet wurden.
Die winzigen quadratischen Magnete, die von NTNU Ph.D.Kandidat Einar Standal Digernes, sind nur zwei Mikrometer breit und in vier dreieckige Domänen aufgeteilt, von denen jede eine andere magnetische Ausrichtung aufweist, die im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn um die Magnete herum zeigt.
In bestimmten magnetischen Materialien schließen sich kleinere Gruppen von Atomen zu Bereichen zusammen, die Domänen genannt werden, in denen alle Elektronen die gleiche magnetische Ausrichtung haben.
In den NTNU-Magneten treffen sich diese Domänen an einem zentralen Punkt – dem Wirbelkern – wo das magnetische Moment direkt in die oder aus der Materialebene zeigt.
„Wenn wir ein Magnetfeld anlegen, zeigen immer mehr dieser Domänen in die gleiche Richtung“, sagt Folven.„Sie können wachsen und sie können schrumpfen und dann können sie ineinander übergehen.“
Elektronen快速麻省理工学院Lichtgeschwindigkeit
Dies mit anzusehen ist nicht einfach.Die Forscher brachten ihre Mikromagnete zu einem 80 Meter breiten Donut-förmigen Synchrotron, bekannt als BESSY II, in Berlin, wo Elektronen beschleunigt werden, bis sie fast mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind.Diese sich schnell bewegenden Elektronen senden dann extrem helle Röntgenstrahlen aus.
„Wir nehmen diese Röntgenstrahlen und verwenden sie als Licht in unserem Mikroskop“, sagt Folven.
Da sich Elektronen in Bündeln im Abstand von zwei Nanosekunden um das Synchrotron bewegen, kommen die von ihnen emittierten Röntgenstrahlen in präzisen Impulsen.
Ein Rastertransmissions-Röntgenmikroskop (STXM) nimmt diese Röntgenstrahlen auf, um eine Momentaufnahme der magnetischen Struktur des Materials zu erstellen.Durch Zusammenfügen dieser Schnappschüsse können die Forscher im Wesentlichen einen Film erstellen, der zeigt, wie sich der Mikromagnet im Laufe der Zeit verändert.
Mit Hilfe des STXM störten Folven und seine Kollegen ihre Mikromagnete mit einem Stromimpuls, der ein Magnetfeld erzeugte, und sahen, wie die Domänen ihre Form änderten und sich der Wirbelkern aus dem Zentrum bewegte.
"Sie haben einen sehr kleinen Magneten, und dann stoßen Sie ihn an und versuchen, ihn sich vorzustellen, während er sich wieder beruhigt", sagt er.Danach sahen sie, wie der Kern in die Mitte zurückkehrte – aber auf einem gewundenen Pfad, nicht auf einer geraden Linie.
„Es wird irgendwie zurück in die Mitte tanzen“, sagt Folven.
Ein Ausrutscher und es ist vorbei
Das liegt daran, dass sie epitaktische Materialien untersuchen, die auf einem Substrat hergestellt werden, das es Forschern ermöglicht, die Eigenschaften des Materials zu optimieren, aber die Röntgenstrahlen in einem STXM blockieren würden.
Die Forscher im NTNU NanoLab lösten das Substratproblem, indem sie ihren Mikromagneten unter einer Kohlenstoffschicht vergruben, um seine magnetischen Eigenschaften zu schützen.
丹trugen您麻省理工学院einem fokussierten来自特拉Gallium-Ionen das darunter liegende Substrat vorsichtig und präzise ab, bis nur noch eine hauchdünne Schicht übrig blieb.Der mühsame Prozess könnte acht Stunden pro Probe dauern – und ein Ausrutscher könnte eine Katastrophe bedeuten.
„Das Entscheidende ist, dass wir das nicht wissen, wenn Sie den Magnetismus ausschalten, bevor wir in Berlin sitzen“, sagt er.„Der Trick besteht natürlich darin, mehr als eine Probe mitzubringen.“
Von der Grundlagenphysik bis zu zukünftigen Geräten
Zum Glück funktionierte es und das Team verwendete seine sorgfältig vorbereiteten Proben, um aufzuzeichnen, wie die Domänen des Mikromagneten im Laufe der Zeit wachsen und schrumpfen.Sie erstellten auch Computersimulationen, um besser zu verstehen, welche Kräfte am Werk waren.
Neben der Erweiterung unseres Wissens über grundlegende Physik könnte das Verständnis, wie Magnetismus auf diesen Längen- und Zeitskalen funktioniert, bei der Entwicklung zukünftiger Geräte hilfreich sein.
Magnetismus wird bereits zur Datenspeicherung verwendet, aber Forscher suchen derzeit nach Möglichkeiten, ihn weiter zu nutzen.Die magnetischen Orientierungen des Wirbelkerns und der Domänen eines Mikromagneten könnten beispielsweise verwendet werden, um Informationen in Form von Nullen und Einsen zu codieren.
Diese Arbeit wollen die Forscher nun mit antiferromagnetischen Materialien wiederholen, bei denen sich der Nettoeffekt der einzelnen magnetischen Momente aufhebt.Diese sind vielversprechend, wenn es um Computer geht – theoretisch könnten antiferromagnetische Materialien verwendet werden, um Geräte herzustellen, die wenig Energie benötigen und auch bei Stromausfall stabil bleiben – aber viel schwieriger zu untersuchen, da die von ihnen erzeugten Signale viel schwächer sein werden .
Trotz dieser Herausforderung ist Folven optimistisch.„Wir haben den ersten Schritt getan, indem wir gezeigt haben, dass wir Proben herstellen und mit Röntgenstrahlen durchsehen können“, sagt er.„Der nächste Schritt wird sein, zu sehen, ob wir Proben von ausreichend hoher Qualität herstellen können, um ein ausreichendes Signal von einem antiferromagnetischen Material zu erhalten.“
Postzeit: 10. Mai 2021