Los investigadores de NTNU están arrojando luz sobre los materiales magnéticos a pequeña escala mediante la creación de películas con la ayuda de algunos rayos X extremadamente brillantes.
Erik Folven, codirector del grupo de electrónica de óxido en el Departamento de Sistemas Electrónicos de la NTNU, y colegas de la NTNU y la Universidad de Ghent en Bélgica se propusieron ver cómo cambian los microimanes de película delgada cuando son perturbados por un campo magnético externo.El trabajo, parcialmente financiado por NTNU Nano y el Consejo de Investigación de Noruega, se publicó en la revista Physical Review Research.
pequeños imanes
Einar Standal Digernes inventó los diminutos imanes cuadrados utilizados en los experimentos.
Los diminutos imanes cuadrados, creados por NTNU Ph.D.candidato Einar Standal Digernes, tienen solo dos micrómetros de ancho y se dividen en cuatro dominios triangulares, cada uno con una orientación magnética diferente que apunta en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj alrededor de los imanes.
En ciertos materiales magnéticos, grupos más pequeños de átomos se unen en áreas llamadas dominios, en las que todos los electrones tienen la misma orientación magnética.
En los imanes NTNU, estos dominios se encuentran en un punto central, el núcleo del vórtice, donde el momento magnético apunta directamente hacia adentro o hacia afuera del plano del material.
“Cuando aplicamos un campo magnético, más y más de estos dominios apuntarán en la misma dirección”, dice Folven.“Pueden crecer y pueden encogerse, y luego pueden fusionarse entre sí”.
Electrones casi a la velocidad de la luz
Ver que esto suceda no es fácil.Los investigadores llevaron sus microimanes a un sincrotrón en forma de rosquilla de 80 m de ancho, conocido como BESSY II, en Berlín, donde los electrones se aceleran hasta que viajan casi a la velocidad de la luz.Esos electrones que se mueven rápidamente emiten rayos X extremadamente brillantes.
“Tomamos estos rayos X y los usamos como luz en nuestro microscopio”, dice Folven.
Debido a que los electrones viajan alrededor del sincrotrón en grupos separados por dos nanosegundos, los rayos X que emiten vienen en pulsos precisos.
Un microscopio de rayos X de transmisión de barrido, o STXM, toma esos rayos X para crear una instantánea de la estructura magnética del material.Al unir estas instantáneas, los investigadores pueden crear esencialmente una película que muestra cómo cambia el microimán con el tiempo.
Con la ayuda del STXM, Folven y sus colegas perturbaron sus microimanes con un pulso de corriente que generó un campo magnético y vieron cómo los dominios cambiaban de forma y el núcleo del vórtice se movía desde el centro.
“Tienes un imán muy pequeño, y luego lo empujas y tratas de imaginarlo mientras se asienta nuevamente”, dice.Luego, vieron que el núcleo regresaba al medio, pero a lo largo de un camino sinuoso, no en línea recta.
"Va a bailar de regreso al centro", dice Folven.
Un desliz y se acabó
Eso se罐头一个是estudian材料外延,que se crean sobre un sustrato que permite a los investigadores modificar las propiedades del material, pero bloquearía los rayos X en un STXM.
Trabajando en NTNU NanoLab, los investigadores resolvieron el problema del sustrato enterrando su microimán bajo una capa de carbono para proteger sus propiedades magnéticas.
Luego, con cuidado y precisión, eliminaron el sustrato debajo con un haz enfocado de iones de galio hasta que solo quedó una capa muy delgada.El minucioso proceso podría llevar ocho horas por muestra, y un error podría significar un desastre.
“Lo fundamental es que, si matas el magnetismo, no lo sabremos antes de sentarnos en Berlín”, dice.“El truco es, por supuesto, traer más de una muestra”.
De la física fundamental a los dispositivos del futuro
Afortunadamente funcionó, y el equipo usó sus muestras cuidadosamente preparadas para trazar cómo los dominios del microimán crecen y se reducen con el tiempo.También crearon simulaciones por computadora para comprender mejor qué fuerzas estaban en juego.
Además de mejorar nuestro conocimiento de la física fundamental, comprender cómo funciona el magnetismo en estas escalas de longitud y tiempo podría ser útil para crear futuros dispositivos.
El magnetismo ya se usa para el almacenamiento de datos, pero los investigadores actualmente están buscando formas de explotarlo aún más.Las orientaciones magnéticas del núcleo del vórtice y los dominios de un microimán, por ejemplo, quizás podrían usarse para codificar información en forma de 0 y 1.
Los investigadores ahora tienen como objetivo repetir este trabajo con materiales antiferromagnéticos, donde el efecto neto de los momentos magnéticos individuales se cancela.Estos son prometedores en lo que respecta a la informática: en teoría, los materiales antiferromagnéticos podrían usarse para fabricar dispositivos que requieren poca energía y permanecen estables incluso cuando se pierde la energía, pero son mucho más difíciles de investigar porque las señales que producen serán mucho más débiles. .
A pesar de ese desafío, Folven es optimista.“Hemos cubierto el primer terreno al demostrar que podemos hacer muestras y mirar a través de ellas con rayos X”, dice."El siguiente paso será ver si podemos hacer muestras de calidad suficientemente alta para obtener suficiente señal de un material antiferromagnético".
Hora de publicación: 10-may-2021