Onderzoekers van NTNU werpen op kleine schaal licht op magnetische materialen door films te maken met behulp van extreem heldere röntgenstralen.
Erik Folven, co-directeur van de oxide-elektronicagroep bij de afdeling elektronische systemen van NTNU, en collega's van NTNU en de Universiteit Gent in België gingen op zoek naar hoe dunnefilm-micromagneten veranderen wanneer ze worden gestoord door een extern magnetisch veld.Het werk, gedeeltelijk gefinancierd door NTNU Nano en de Research Council of Norway, werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Research.
Kleine magneten
艾纳Standal Digernes vond de kleine vierkante magneten uit die in de experimenten werden gebruikt.
De kleine vierkante magneten, gemaakt door NTNU Ph.D.kandidaat Einar Standal Digernes, zijn slechts twee micrometer breed en opgesplitst in vier driehoekige domeinen, elk met een verschillende magnetische oriëntatie die met de klok mee of tegen de klok in rond de magneten wijst.
In bepaalde magnetische materialen verbinden kleinere groepen atomen zich tot gebieden die domeinen worden genoemd, waarin alle elektronen dezelfde magnetische oriëntatie hebben.
In de NTNU-magneten ontmoeten deze domeinen elkaar op een centraal punt - de vortexkern - waar het magnetische moment direct in of uit het vlak van het materiaal wijst.
“Als we een magnetisch veld aanleggen, zullen steeds meer van deze domeinen in dezelfde richting wijzen”, zegt Folven."Ze kunnen groeien en ze kunnen krimpen, en dan kunnen ze in elkaar overgaan."
Elektronen bijna met de snelheid van het licht
Dit zien gebeuren is niet eenvoudig.De onderzoekers namen hun micromagneten mee naar een 80 meter brede, donutvormige synchrotron, bekend als BESSY II, in Berlijn, waar elektronen worden versneld totdat ze met bijna de snelheid van het licht reizen.Die snel bewegende elektronen zenden dan extreem heldere röntgenstralen uit.
"We nemen deze röntgenfoto's en gebruiken ze als het licht in onze microscoop", zegt Folven.
Omdat elektronen rond de synchrotron reizen in bundels van elkaar gescheiden door twee nanoseconden, komen de röntgenstralen die ze uitzenden in precieze pulsen.
Een scanning-transmissie-röntgenmicroscoop, of STXM, neemt die röntgenstralen om een momentopname te maken van de magnetische structuur van het materiaal.Door deze snapshots aan elkaar te naaien, kunnen de onderzoekers in wezen een film maken die laat zien hoe de micromagneet in de loop van de tijd verandert.
Met behulp van de STXM verstoorden Folven en zijn collega's hun micromagneten met een stroomstoot die een magnetisch veld opwekte, en zagen de domeinen van vorm veranderen en de vortexkern vanuit het centrum bewegen.
“我甚至hebt跟kleine magneet, en哒n por je erin en probeer je het je voor te stellen terwijl het weer tot rust komt", zegt hij.Daarna zagen ze de kern terugkeren naar het midden - maar langs een kronkelend pad, geen rechte lijn.
"Het zal een soort van dans terug naar het centrum", zegt Folven.
Eén slip en het is voorbij
Dat komt omdat ze epitaxiale materialen bestuderen, die bovenop een substraat worden gemaakt waarmee onderzoekers de eigenschappen van het materiaal kunnen aanpassen, maar de röntgenstralen in een STXM zouden blokkeren.
De onderzoekers werkten in NTNU NanoLab en losten het substraatprobleem op door hun micromagneet onder een laag koolstof te begraven om de magnetische eigenschappen te beschermen.
Daarna hakten ze voorzichtig en precies het onderliggende substraat weg met een gerichte bundel galliumionen totdat er slechts een heel dun laagje overbleef.Het moeizame proces kan acht uur per monster duren - en één fout kan rampzalig zijn.
"Het belangrijkste is dat, als je het magnetisme doodt, we dat niet weten voordat we in Berlijn zitten", zegt hij."De truc is natuurlijk om meer dan één monster mee te nemen."
Van fundamentele fysica tot toekomstige apparaten
Gelukkig werkte het, en het team gebruikte hun zorgvuldig voorbereide monsters om in kaart te brengen hoe de domeinen van de micromagneet in de loop van de tijd groeien en krimpen.Ze creëerden ook computersimulaties om beter te begrijpen welke krachten aan het werk waren.
Naast het vergroten van onze kennis van fundamentele fysica, kan inzicht in hoe magnetisme op deze lengte- en tijdschalen werkt, nuttig zijn bij het maken van toekomstige apparaten.
Magnetisme wordt al gebruikt voor gegevensopslag, maar onderzoekers zoeken momenteel naar manieren om het verder te benutten.De magnetische oriëntaties van de vortexkern en domeinen van een micromagneet zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om informatie in de vorm van nullen en enen te coderen.
De onderzoekers willen dit werk nu herhalen met anti-ferromagnetische materialen, waarbij het netto-effect van de individuele magnetische momenten teniet wordt gedaan.Deze zijn veelbelovend als het gaat om computers - in theorie zouden anti-ferromagnetische materialen kunnen worden gebruikt om apparaten te maken die weinig energie nodig hebben en stabiel blijven, zelfs als de stroom uitvalt - maar veel lastiger om te onderzoeken omdat de signalen die ze produceren veel zwakker zullen zijn .
Ondanks die uitdaging is Folven optimistisch."We hebben het eerste terrein bedekt door te laten zien dat we monsters kunnen maken en er met röntgenstralen doorheen kunnen kijken", zegt hij.“De volgende stap zal zijn om te kijken of we samples kunnen maken van voldoende hoge kwaliteit om voldoende signaal te krijgen van een anti-ferromagnetisch materiaal.”
Posttijd: 10 mei-2021