วิธีใหม่ในการดูการทำงานภายในของแม่เหล็กขนาดเล็ก

นักวิจัยจาก NTNU กำลังฉายแสงบนวัสดุแม่เหล็กที่มีขนาดเล็กโดยการสร้างภาพยนตร์โดยใช้รังสีเอกซ์ที่สว่างมาก

Erik Folven ผู้อำนวยการกลุ่มอิเล็กทรอนิกส์ออกไซด์ที่ Department of Electronic Systems ของ NTNU และเพื่อนร่วมงานจาก NTNU และ Ghent University ในเบลเยียมได้เริ่มดูว่าไมโครแม่เหล็กแบบฟิล์มบางจะเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อถูกรบกวนโดยสนามแม่เหล็กภายนอกงานนี้ได้รับทุนสนับสนุนบางส่วนจาก NTNU Nano และ Research Council of Norway ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Research

แม่เหล็กจิ๋ว

Einar Standal Digernes ได้คิดค้นแม่เหล็กสี่เหลี่ยมเล็กๆ ที่ใช้ในการทดลอง

แม่เหล็กสี่เหลี่ยมเล็ก ๆ ที่สร้างขึ้นโดย NTNU Ph.D.ผู้สมัคร Einar Standal Digernes มีความกว้างเพียงสองไมโครเมตรและแบ่งออกเป็นโดเมนสามเหลี่ยมสี่โดเมน โดยแต่ละโดเมนมีการวางแนวแม่เหล็กที่แตกต่างกันโดยชี้ตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิการอบๆ แม่เหล็ก

ในวัสดุแม่เหล็กบางชนิด กลุ่มอะตอมที่มีขนาดเล็กกว่าจะรวมตัวกันเป็นบริเวณที่เรียกว่าโดเมน ซึ่งอิเล็กตรอนทั้งหมดมีทิศทางแม่เหล็กเหมือนกัน

ในแม่เหล็ก NTNU โดเมนเหล่านี้จะมาบรรจบกันที่จุดศูนย์กลาง—แกนน้ำวน—ที่โมเมนต์แม่เหล็กชี้เข้าหรือออกจากระนาบของวัสดุโดยตรง

"เมื่อเราใส่สนามแม่เหล็ก โดเมนเหล่านี้จะชี้ไปในทิศทางเดียวกันมากขึ้นเรื่อยๆ" Folven กล่าว“พวกมันสามารถเติบโตและหดตัว และจากนั้นก็สามารถรวมเข้าด้วยกันได้”

อิเลคตรอนเกือบเท่าความเร็วแสง

การเห็นสิ่งนี้เกิดขึ้นไม่ใช่เรื่องง่ายนักวิจัยนำไมโครแม่เหล็กของพวกเขาไปที่ซินโครตรอนรูปโดนัทขนาดกว้าง 80 เมตรที่รู้จักกันในชื่อ BESSY II ในกรุงเบอร์ลิน ซึ่งอิเล็กตรอนจะถูกเร่งความเร็วจนพวกมันเดินทางด้วยความเร็วเกือบเท่าแสงอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่เร็วเหล่านั้นจะปล่อยรังสีเอกซ์ที่สว่างมาก

"เราใช้รังสีเอกซ์เหล่านี้เป็นแสงในกล้องจุลทรรศน์ของเรา" Folven กล่าว

เนื่องจากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ ซินโครตรอนเป็นกระจุกโดยคั่นด้วยสองนาโนวินาที รังสีเอกซ์ที่ปล่อยออกมาจึงเป็นพัลส์ที่แม่นยำ

กล้องจุลทรรศน์เอ็กซ์เรย์แบบส่งกำลังด้วยการสแกนหรือSTXM ใช้รังสีเอกซ์เหล่านั้นเพื่อสร้างภาพรวมของโครงสร้างแม่เหล็กของวัสดุด้วยการรวมสแน็ปช็อตเหล่านี้เข้าด้วยกัน นักวิจัยสามารถสร้างภาพยนตร์ที่แสดงให้เห็นว่าไมโครแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป

ด้วยความช่วยเหลือของ STXM Folven และเพื่อนร่วมงานของเขาได้รบกวนไมโครแม่เหล็กด้วยพัลส์ของกระแสที่สร้างสนามแม่เหล็ก และเห็นว่าโดเมนเปลี่ยนรูปร่างและแกนของกระแสน้ำวนเคลื่อนที่จากจุดศูนย์กลาง

“คุณมีแม่เหล็กขนาดเล็กมาก จากนั้นคุณก็จิ้มมันและพยายามนึกภาพเมื่อมันกลับมาเกาะตัวอีกครั้ง” เขากล่าวหลังจากนั้น พวกเขาเห็นแกนกลับไปตรงกลาง—แต่ตามทางคดเคี้ยว ไม่ใช่เส้นตรง

“มันจะเต้นกลับไปที่ศูนย์” โฟลเวนกล่าว

แปปเดียวก็จบ

นั่นเป็นเพราะพวกเขาศึกษาวัสดุ epitaxial ซึ่งถูกสร้างขึ้นบนวัสดุพิมพ์ที่ช่วยให้นักวิจัยสามารถปรับแต่งคุณสมบัติของวัสดุ แต่จะปิดกั้นรังสีเอกซ์ใน STXM

การทำงานใน NTNU NanoLab นักวิจัยได้แก้ปัญหาพื้นผิวโดยการฝังไมโครแม่เหล็กใต้ชั้นของคาร์บอนเพื่อปกป้องคุณสมบัติทางแม่เหล็กของมัน

จากนั้นพวกเขาก็ทำการบิ่นพื้นผิวที่อยู่ด้านล่างอย่างระมัดระวังและแม่นยำด้วยลำแสงแกลเลียมไอออนที่โฟกัสจนเหลือเพียงชั้นที่บางมากเท่านั้นกระบวนการอันอุตสาหะอาจใช้เวลาแปดชั่วโมงต่อตัวอย่าง—และการพลาดหนึ่งครั้งอาจก่อให้เกิดหายนะได้

“สิ่งสำคัญคือ ถ้าคุณกำจัดสนามแม่เหล็ก เราจะไม่รู้ก่อนที่เราจะนั่งในเบอร์ลิน” เขากล่าว“เคล็ดลับคือต้องนำตัวอย่างมามากกว่าหนึ่งตัวอย่าง”

จากฟิสิกส์พื้นฐานสู่อุปกรณ์แห่งอนาคต

โชคดีที่มันใช้ได้ผล และทีมงานใช้ตัวอย่างที่เตรียมมาอย่างดีเพื่อจัดทำแผนภูมิว่าโดเมนของไมโครแม่เหล็กเติบโตและหดตัวอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปพวกเขายังสร้างการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เพื่อให้เข้าใจถึงกองกำลังในที่ทำงานได้ดีขึ้น

นอกจากจะช่วยเพิ่มพูนความรู้ของเราเกี่ยวกับฟิสิกส์พื้นฐานแล้ว การทำความเข้าใจว่าสนามแม่เหล็กทำงานอย่างไรในช่วงความยาวและเวลาเหล่านี้จะเป็นประโยชน์ในการสร้างอุปกรณ์ในอนาคต

แม่เหล็กถูกใช้สำหรับการจัดเก็บข้อมูลแล้ว แต่ขณะนี้นักวิจัยกำลังมองหาวิธีที่จะใช้ประโยชน์จากมันต่อไปตัวอย่างเช่น การวางแนวแม่เหล็กของแกนกระแสน้ำวนและโดเมนของไมโครแม่เหล็ก อาจใช้เพื่อเข้ารหัสข้อมูลในรูปแบบ 0 และ 1

ขณะนี้นักวิจัยกำลังตั้งเป้าที่จะทำซ้ำงานนี้ด้วยวัสดุป้องกันสนามแม่เหล็กซึ่งผลกระทบสุทธิของช่วงเวลาแม่เหล็กแต่ละรายการจะถูกยกเลิกสิ่งเหล่านี้มีแนวโน้มที่ดีเมื่อพูดถึงการคำนวณ—ตามทฤษฎีแล้ว วัสดุต้านสนามแม่เหล็กสามารถใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยและยังคงมีเสถียรภาพแม้เมื่อไฟฟ้าดับ—แต่ยากกว่ามากในการตรวจสอบเพราะสัญญาณที่ผลิตจะอ่อนกว่ามาก .

แม้จะมีความท้าทายนั้น Folven ก็ยังมองโลกในแง่ดี"เราได้ครอบคลุมพื้นที่แรกโดยแสดงให้เห็นว่าเราสามารถสร้างตัวอย่างและมองผ่านพวกเขาด้วยรังสีเอกซ์" เขากล่าว"ขั้นตอนต่อไปคือการดูว่าเราสามารถสร้างตัวอย่างที่มีคุณภาพสูงเพียงพอเพื่อรับสัญญาณเพียงพอจากวัสดุที่ต้านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าได้หรือไม่"