Cercetătorii de la NTNU fac lumină asupra materialelor magnetice la scară mică, creând filme cu ajutorul unor raze X extrem de strălucitoare.
Erik Folven, co-director al grupului de electronică cu oxizi la Departamentul de Sisteme Electronice al NTNU, și colegii de la NTNU și Universitatea Ghent din Belgia au început să vadă cum se schimbă micromagneții cu peliculă subțire atunci când sunt perturbați de un câmp magnetic exterior.Lucrarea, finanțată parțial de NTNU Nano și Consiliul de Cercetare din Norvegia, a fost publicată în revista Physical Review Research.
Magneți minusculi
Einar Standal Digernes a inventat minusculii magneți pătrați folosiți în experimente.
Minusculii magneți pătrați, creați de NTNU Ph.D.candidatul Einar Standal Digernes, au doar doi micrometri lățime și sunt împărțite în patru domenii triunghiulare, fiecare cu o orientare magnetică diferită îndreptată în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic în jurul magneților.
În anumite materiale magnetice, grupuri mai mici de atomi se unesc în zone numite domenii, în care toți electronii au aceeași orientare magnetică.
În magneții NTNU, aceste domenii se întâlnesc într-un punct central - miezul vortex - unde momentul magnetic indică direct în sau în afara planului materialului.
„Când aplicăm un câmp magnetic, tot mai multe dintre aceste domenii vor îndrepta în aceeași direcție”, spune Folven.„Ei pot crește și se pot micșora, apoi se pot contopi unul în celălalt.”
Electronii aproape la viteza luminii
Să vezi că se întâmplă asta nu este ușor.Cercetătorii și-au dus micromagneții la un sincrotron în formă de gogoașă de 80 m lățime, cunoscut sub numele de BESSY II, din Berlin, unde electronii sunt accelerați până când călătoresc aproape cu viteza luminii.Acei electroni care se mișcă rapid emit apoi raze X extrem de strălucitoare.
„Luăm aceste raze X și le folosim ca lumină în microscopul nostru”, spune Folven.
Deoarece electronii călătoresc în jurul sincrotronului în mănunchiuri separate de două nanosecunde, razele X pe care le emit vin în impulsuri precise.
Un microscop cu raze X cu transmisie de scanare, sau STXM, ia acele raze X pentru a crea un instantaneu al structurii magnetice a materialului.Prin unirea acestor instantanee, cercetătorii pot crea, în esență, un film care arată cum se schimbă micromagnetul în timp.
Cu ajutorul STXM, Folven și colegii săi și-au deranjat micromagneții cu un puls de curent care a generat un câmp magnetic și au văzut că domeniile își schimbă forma și miezul vortexului se mișcă din centru.
„Ai un magnet foarte mic, apoi îl împingi și încerci să-l imaginezi când se instalează din nou”, spune el.După aceea, au văzut miezul revenind la mijloc, dar de-a lungul unei cărări întortocheate, nu pe o linie dreaptă.
„Va oare dansa înapoi în centru”, spune Folven.
O alunecare și s-a terminat
Asta pentru că ei studiază materialele epitaxiale, care sunt create deasupra unui substrat care le permite cercetătorilor să modifice proprietățile materialului, dar ar bloca razele X într-un STXM.
Lucrând în NTNU NanoLab, cercetătorii au rezolvat problema substratului îngropându-și micromagnetul sub un strat de carbon pentru a-i proteja proprietățile magnetice.
Apoi au ciobit cu grijă și precis substratul de dedesubt cu un fascicul concentrat de ioni de galiu până a rămas doar un strat foarte subțire.Procesul minuțios ar putea dura opt ore per probă – iar o derapaj ar putea însemna un dezastru.
„Crecul este că, dacă omorâți magnetismul, nu vom ști asta înainte de a sta la Berlin”, spune el.„Smecheria este, desigur, să aduci mai mult de o mostră.”
De la fizica fundamentală la dispozitivele viitoare
Din fericire, a funcționat, iar echipa și-a folosit eșantioanele pregătite cu grijă pentru a diagrama modul în care domeniile micromagnetului cresc și se micșorează în timp.De asemenea, au creat simulări pe computer pentru a înțelege mai bine ce forțe erau la lucru.
Pe lângă dezvoltarea cunoștințelor noastre despre fizica fundamentală, înțelegerea modului în care funcționează magnetismul la aceste scale de lungime și de timp ar putea fi utilă în crearea viitoarelor dispozitive.
Magnetismul este deja folosit pentru stocarea datelor, dar cercetătorii caută în prezent modalități de a-l exploata în continuare.De exemplu, orientările magnetice ale miezului vortex și domeniile unui micromagnet ar putea fi folosite pentru a codifica informații sub formă de 0 și 1.
Cercetătorii își propun acum să repete această lucrare cu materiale antiferomagnetice, unde efectul net al momentelor magnetice individuale se anulează.Acestea sunt promițătoare când vine vorba de calcul - în teorie, materialele antiferomagnetice ar putea fi folosite pentru a face dispozitive care necesită puțină energie și rămân stabile chiar și atunci când se pierde puterea - dar mult mai dificil de investigat, deoarece semnalele pe care le produc vor fi mult mai slabe. .
În ciuda acestei provocări, Folven este optimist.„Am acoperit primul teren arătând că putem face eșantioane și că putem privi prin ele cu raze X”, spune el.„Următorul pas va fi să vedem dacă putem face mostre de o calitate suficient de înaltă pentru a obține suficient semnal de la un material anti-feromagnetic.”
Ora postării: 10-mai-2021