Naukowcy z NTNU rzucają światło na materiały magnetyczne w małej skali, tworząc filmy za pomocą niezwykle jasnych promieni rentgenowskich.
Erik Folven, współkierownik grupy elektroniki tlenkowej w Departamencie Systemów Elektronicznych NTNU, wraz z kolegami z NTNU i Uniwersytetu w Gandawie w Belgii postanowili zobaczyć, jak cienkowarstwowe mikromagnesy zmieniają się, gdy są zakłócane przez zewnętrzne pole magnetyczne.Praca, częściowo sfinansowana przez NTNU Nano i Norweską Radę Naukową, została opublikowana w czasopiśmie Physical Review Research.
Małe magnesy
Einar Standal Digernes wynalazł maleńkie kwadratowe magnesy używane w eksperymentach.
马łe kwadratowe magnesy, stworzone przez NTNU Ph.D.kandydata Einara Standal Digernes, mają zaledwie dwa mikrometry szerokości i są podzielone na cztery trójkątne domeny, z których każda ma inną orientację magnetyczną skierowaną wokół magnesów zgodnie lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.
W niektórych materiałach magnetycznych mniejsze grupy atomów łączą się w obszary zwane domenami, w których wszystkie elektrony mają tę samą orientację magnetyczną.
W magnesach NTNU domeny te spotykają się w centralnym punkcie — jądrze wirowym — gdzie moment magnetyczny jest skierowany bezpośrednio do lub poza płaszczyznę materiału.
„Kiedy zastosujemy pole magnetyczne, coraz więcej tych domen będzie wskazywać ten sam kierunek”, mówi Folven.„Mogą rosnąć i kurczyć się, a następnie mogą się łączyć”.
Elektrony prawie z prędkością światła
Widzenie tego nie jest łatwe.Naukowcy przenieśli swoje mikromagnesy do synchrotronu w kształcie pączka o szerokości 80 m, znanego jako BESSY II, w Berlinie, gdzie elektrony są przyspieszane do momentu, gdy poruszają się niemal z prędkością światła.Te szybko poruszające się elektrony emitują następnie niezwykle jasne promienie rentgenowskie.
„Bierzemy te promienie rentgenowskie i wykorzystujemy je jako światło w naszym mikroskopie” – mówi Folven.
Ponieważ elektrony przemieszczają się wokół synchrotronu w wiązkach oddzielonych od siebie o dwie nanosekundy, emitowane przez nie promienie rentgenowskie przychodzą w postaci precyzyjnych impulsów.
Skaningowy mikroskop rentgenowski z transmisją lub STXM wykonuje te promienie rentgenowskie, aby stworzyć migawkę struktury magnetycznej materiału.Łącząc te migawki razem, naukowcy mogą zasadniczo stworzyć film pokazujący, jak mikromagnes zmienia się w czasie.
Z pomocą STXM Folven i jego koledzy zakłócili swoje mikromagnesy impulsem prądu, który generował pole magnetyczne i obserwowali, jak domeny zmieniają kształt, a rdzeń wiru przesuwa się od środka.
„Masz bardzo mały magnes, a potem szturchasz go i próbujesz sobie wyobrazić, jak ponownie się układa” – mówi.Potem ujrzeli, że rdzeń wraca na środek — ale po krętej ścieżce, a nie w linii prostej.
„W pewnym sensie wróci do centrum” — mówi Folven.
Jedno potknięcie i koniec
Dzieje się tak, ponieważ badają materiały epitaksjalne, które są tworzone na wierzchu podłoża, które pozwala naukowcom modyfikować właściwości materiału, ale blokuje promieniowanie rentgenowskie w STXM.
Pracując w NTNU NanoLab, naukowcy rozwiązali problem z podłożem, zakopując mikromagnes pod warstwą węgla, aby chronić jego właściwości magnetyczne.
Następnie ostroż聂我precyzyjnie odłupali podłożeza pomocą skupionej wiązki jonów galu, aż pozostała tylko bardzo cienka warstwa.Żmudny proces może zająć osiem godzin na próbkę – a jedna pomyłka może oznaczać katastrofę.
„Kluczowe jest to, że jeśli zabijesz magnetyzm, nie dowiemy się tego, zanim usiądziemy w Berlinie”, mówi.„Sztuką jest oczywiście przyniesienie więcej niż jednej próbki”.
Od fundamentalnej fizyki do przyszłych urządzeń
Na szczęście zadziałało, a zespół wykorzystał starannie przygotowane próbki, aby zobrazować, jak domeny mikromagnesu rosną i kurczą się w czasie.Stworzyli również symulacje komputerowe, aby lepiej zrozumieć, jakie siły działały.
Oprócz pogłębiania naszej wiedzy z zakresu fizyki fundamentalnej, zrozumienie działania magnetyzmu w tych skalach długości i czasu może być pomocne w tworzeniu przyszłych urządzeń.
Magnetyzm jest już wykorzystywany do przechowywania danych, ale naukowcy szukają obecnie sposobów na jego dalsze wykorzystanie.Na przykład orientacje magnetyczne rdzenia wirowego i domen mikromagnesu mogłyby być wykorzystane do kodowania informacji w postaci zer i jedynek.
Naukowcy zamierzają teraz powtórzyć tę pracę z materiałami antyferromagnetycznymi, gdzie efekt netto poszczególnych momentów magnetycznych znosi się.Są one obiecujące, jeśli chodzi o komputery — teoretycznie materiały antyferromagnetyczne można wykorzystać do wytwarzania urządzeń, które wymagają niewielkiej ilości energii i pozostają stabilne nawet po utracie zasilania — ale o wiele trudniej je zbadać, ponieważ generowane przez nie sygnały będą znacznie słabsze .
Pomimo tego wyzwania Folven jest optymistą.„Pokonaliśmy pierwszy teren, pokazując, że możemy wykonać próbki i przejrzeć je za pomocą promieni rentgenowskich” – mówi.„Następnym krokiem będzie sprawdzenie, czy możemy wykonać próbki wystarczająco wysokiej jakości, aby uzyskać wystarczający sygnał z materiału antyferromagnetycznego”.
Czas postu: 10 maja-2021