Các nhà nghiên cứu từ NTNU đang làm sáng tỏ các vật liệu từ tính ở quy mô nhỏ bằng cách tạo phim với sự trợ giúp của một số tia X cực sáng.
Erik Folven, đồng giám đốc nhóm điện tử ôxít tại Khoa Hệ thống Điện tử của NTNU, và các đồng nghiệp từ NTNU và Đại học Ghent ở Bỉ đã tìm hiểu xem các vi nam châm màng mỏng thay đổi như thế nào khi bị nhiễu bởi từ trường bên ngoài.Công trình được tài trợ một phần bởi NTNU Nano và Hội đồng Nghiên cứu Na Uy, đã được xuất bản trên tạp chí Physical Review Research.
Nam châm nhỏ
Einar Standal Digernes đã phát minh ra các nam châm vuông nhỏ được sử dụng trong các thí nghiệm.
Nam châm hình vuông cực nhỏ, được tạo ra bởi NTNU Ph.D.ứng cử viên Einar Standal Digernes, chỉ rộng hai micromet và được chia thành bốn miền hình tam giác, mỗi miền có một hướng từ tính khác nhau hướng theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ xung quanh nam châm.
Trong một số vật liệu từ tính, các nhóm nguyên tử nhỏ hơn kết hợp với nhau thành các vùng được gọi là miền, trong đó tất cả các electron có cùng hướng từ tính.
Trong nam châm NTNU, các miền này gặp nhau tại một điểm trung tâm - lõi xoáy - nơi mômen từ hướng trực tiếp vào hoặc ra khỏi mặt phẳng của vật liệu.
Folven nói: “Khi chúng ta áp dụng một từ trường, ngày càng nhiều miền này sẽ hướng về cùng một hướng."Chúng có thể phát triển và chúng có thể thu nhỏ lại, và sau đó chúng có thể hợp nhất thành một khối khác."
Các electron gần như bằng tốc độ ánh sáng
Nhìn thấy điều này xảy ra không phải là dễ dàng.Các nhà nghiên cứu đã đưa các vi nam châm của họ đến một đồng bộ hình bánh rán rộng 80m, được gọi là BESSY II, ở Berlin, nơi các điện tử được gia tốc cho đến khi chúng di chuyển với tốc độ gần như bằng tốc độ ánh sáng.Các electron chuyển động nhanh đó sau đó phát ra tia X cực sáng.
Folven nói: “Chúng tôi chụp những tia X này và sử dụng chúng làm ánh sáng trong kính hiển vi của chúng tôi.
Bởi vì các điện tử di chuyển xung quanh synctron theo chùm cách nhau hai nano giây, các tia X mà chúng phát ra có dạng xung chính xác.
Kính hiển vi tia X truyền quét, hoặc STXM, lấy những tia X đó để tạo ra ảnh chụp nhanh về cấu trúc từ tính của vật liệu.Bằng cách ghép những bức ảnh chụp nhanh này lại với nhau, các nhà nghiên cứu về cơ bản có thể tạo ra một bộ phim cho thấy nam châm micrô thay đổi như thế nào theo thời gian.
Với sự trợ giúp của STXM, Folven và các đồng nghiệp của ông đã làm xáo trộn các vi nam châm của họ bằng một xung dòng điện tạo ra từ trường, và thấy các miền thay đổi hình dạng và lõi xoáy chuyển động từ trung tâm.
“Bạn có một nam châm rất nhỏ, sau đó bạn chọc vào nó và cố gắng hình dung nó khi nó lắng xuống một lần nữa,” ông nói.Sau đó, họ thấy lõi quay trở lại giữa — nhưng dọc theo một con đường quanh co, không phải một đường thẳng.
“Nó sẽ nhảy trở lại trung tâm,” Folven nói.
Một lần trượt và nó kết thúc
Đó là bởi vì họ nghiên cứu các vật liệu biểu mô, được tạo ra trên lớp nền cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh các đặc tính của vật liệu, nhưng sẽ chặn tia X trong một STXM.
Làm việc trong NTNU NanoLab, các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề chất nền bằng cách chôn nam châm của họ dưới một lớp carbon để bảo vệ các đặc tính từ tính của nó.
Sau đó, họ cẩn thận và chính xác cắt bỏ lớp nền bên dưới bằng một chùm ion gali hội tụ cho đến khi chỉ còn lại một lớp rất mỏng.Quá trình chăm chỉ có thể mất tám giờ cho mỗi mẫu — và một lần trượt lên có thể gây ra thảm họa.
“Điều quan trọng là, nếu bạn tiêu diệt từ tính, chúng tôi sẽ không biết điều đó trước khi chúng tôi ngồi ở Berlin,” ông nói."Tất nhiên, mẹo là mang nhiều hơn một mẫu."
Từ vật lý cơ bản đến các thiết bị trong tương lai
Rất may, nó đã hoạt động và nhóm đã sử dụng các mẫu được chuẩn bị cẩn thận của họ để lập biểu đồ cách các miền của nam châm vi sinh phát triển và thu nhỏ theo thời gian.Họ cũng tạo ra các mô phỏng máy tính để hiểu rõ hơn về lực tác động.
Ngoài việc nâng cao kiến thức của chúng ta về vật lý cơ bản, việc hiểu cách hoạt động của từ tính ở các thang độ dài và thời gian này có thể hữu ích trong việc tạo ra các thiết bị trong tương lai.
Từ tính đã được sử dụng để lưu trữ dữ liệu, nhưng các nhà nghiên cứu hiện đang tìm cách khai thác nó hơn nữa.Ví dụ, các định hướng từ tính của lõi xoáy và các miền của một nam châm vi châm có thể được sử dụng để mã hóa thông tin dưới dạng 0s và 1s.
Các nhà nghiên cứu hiện đang hướng tới việc lặp lại công việc này với các vật liệu chống sắt từ, nơi tác động ròng của các mômen từ riêng lẻ sẽ loại bỏ.Đây là những hứa hẹn khi nói đến tính toán — về lý thuyết, vật liệu chống sắt từ có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị đòi hỏi ít năng lượng và vẫn ổn định ngay cả khi mất điện — nhưng điều tra phức tạp hơn rất nhiều vì tín hiệu chúng tạo ra sẽ yếu hơn nhiều .
Bất chấp thach thứcđo, Folven vẫn lạc全。昂不i: “Chúng tôi đã che phủ mặt đất đầu tiên bằng cách cho thấy chúng tôi có thể tạo ra các mẫu và nhìn qua chúng bằng tia X.“Bước tiếp theo sẽ là xem liệu chúng ta có thể tạo ra các mẫu có chất lượng đủ cao để có đủ tín hiệu từ vật liệu chống sắt từ hay không.”
Thời gian đăng bài: Tháng 5 -10- 2021