Исследователи из NTNU проливают свет на магнитные материалы в небольших масштабах, создавая фильмы с помощью чрезвычайно ярких рентгеновских лучей.
Эрик Фолвен, соруководитель группы оксидной электроники в Департаменте электронных систем NTNU, и его коллеги из NTNU и Гентского университета в Бельгии решили посмотреть, как меняются тонкопленочные микромагниты под воздействием внешнего магнитного поля.Работа, частично финансируемая NTNU Nano и Исследовательским советом Норвегии, была опубликована в журнале Physical Review Research.
Крошечные магниты
Эйнар Стандаль Дигернес изобрел крошечные квадратные магниты, используемые в экспериментах.
Крошечные квадратные магниты, созданные доктором философии NTNU.Кандидат Эйнар Стандал Дигернес, имеют ширину всего два микрометра и разделены на четыре треугольных домена, каждый из которых имеет разную магнитную ориентацию, направленную по часовой стрелке или против часовой стрелки вокруг магнитов.
В некоторых магнитных материалах меньшие группы атомов объединяются в области, называемые доменами, в которых все электроны имеют одинаковую магнитную ориентацию.
Вмагнитах巴克этидоменывстречаютсявцентральной точке — ядре вихря, — где магнитный момент направлен прямо в или из плоскости материала.
«Когдамыприменяеммагнитноеполе,всебольшеибольше этих доменов будут указывать в одном направлении», — говорит Фолвен.«Они могут расти и уменьшаться, а затем сливаться друг с другом».
Электроны почти со скоростью света
Видеть, как это происходит, нелегко.Исследователи доставили свои микромагниты на синхротрон в форме пончика шириной 80 м, известный как BESSY II, в Берлине, где электроны ускоряются до тех пор, пока они не начинают двигаться почти со скоростью света.Затем эти быстро движущиеся электроны испускают чрезвычайно яркое рентгеновское излучение.
«Мы берем эти рентгеновские лучи и используем их в качестве света в нашем микроскопе», — говорит Фолвен.
Поскольку электроны путешествуют по синхротрону сгустками, разделенными двумя наносекундами, испускаемое ими рентгеновское излучение поступает в виде точных импульсов.
Сканирующий трансмиссионный рентгеновский микроскоп, или STXM, использует эти рентгеновские лучи для создания моментального снимка магнитной структуры материала.Соединяя эти снимки вместе, исследователи могут, по сути, создать фильм, показывающий, как микромагнит меняется со временем.
С помощью STXM Фолвен и его коллеги возмутили свои микромагниты импульсом тока, создавшим магнитное поле, и увидели, как домены изменили форму, а ядро вихря сместилось из центра.
«У вас есть очень маленький магнит, а затем вы нажимаете на него и пытаетесь изобразить, как он снова оседает», — говорит он.После этого они увидели, как ядро возвращается к середине, но по извилистому пути, а не по прямой.
«Он как бы возвращается к центру», — говорит Фолвен.
Один промах и все кончено
Это потому, что они изучают эпитаксиальные материалы, которые создаются поверх подложки, что позволяет исследователям настраивать свойства материала, но блокирует рентгеновские лучи в STXM.
Работая в NTNU NanoLab, исследователи решили проблему подложки, похоронив свой микромагнит под слоем углерода, чтобы защитить его магнитные свойства.
Затем они тщательно и точно откололи подложку сфокусированным лучом ионов галлия, пока не остался только очень тонкий слой.Кропотливый процесс мог занять восемь часов на образец, и одна ошибка могла привести к катастрофе.
«Важно то, что если вы убьете магнетизм, мы не узнаем об этом до того, как сядем в Берлин», — говорит он.«Хитрость, конечно, в том, чтобы принести больше одного образца».
От фундаментальной физики к устройствам будущего
К счастью, это сработало, и команда использовала свои тщательно подготовленные образцы, чтобы наметить, как домены микромагнита растут и сжимаются с течением времени.Они также создали компьютерное моделирование, чтобы лучше понять, какие силы действуют.
Помимо углубления наших знаний в области фундаментальной физики, понимание того, как работает магнетизм в этих масштабах длины и времени, может быть полезным при создании будущих устройств.
Магнетизм уже используется для хранения данных, но исследователи в настоящее время ищут способы его дальнейшего использования.Например, магнитные ориентации ядра вихря и доменов микромагнита можно было бы использовать для кодирования информации в виде нулей и единиц.
В настоящее время исследователи стремятся повторить эту работу с антиферромагнитными материалами, где суммарный эффект отдельных магнитных моментов компенсируется.Это многообещающе, когда дело доходит до вычислений — теоретически антиферромагнитные материалы могут быть использованы для создания устройств, которые требуют мало энергии и остаются стабильными даже при отключении питания, — но их гораздо сложнее исследовать, потому что сигналы, которые они производят, будут намного слабее. .
Несмотря на эту проблему, Фолвен настроен оптимистично.«Мы преодолели первый этап, показав, что можем делать образцы и просматривать их с помощью рентгеновских лучей», — говорит он.«Следующим шагом будет посмотреть, сможем ли мы сделать образцы достаточно высокого качества, чтобы получить достаточный сигнал от антиферромагнитного материала».
Время публикации: 10 мая 2021 г.