Onderzoekers van NTNU werpen op kleine schaal licht op magnetische materialen door films te maken met behulp van extreem heldere röntgenstralen.

Erik Folven, co-directeur van de oxide-elektronicagroep bij de afdeling elektronische systemen van NTNU, en collega's van NTNU en de Universiteit Gent in België gingen op zoek naar hoe dunnefilm-micromagneten veranderen wanneer ze worden gestoord door een extern magnetisch veld. Het werk, gedeeltelijk gefinancierd door NTNU Nano en de Onderzoeksraad van Noorwegen, werd gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Research.

Kleine magneten

Einar Standal Digernes vond de kleine vierkante magneten uit die in de experimenten werden gebruikt.

De kleine vierkante magneten, gemaakt door NTNU Ph.D. kandidaat Einar Standal Digernes, zijn slechts twee micrometer breed en verdeeld in vier driehoekige domeinen, elk met een verschillende magnetische oriëntatie die met de klok mee of tegen de klok in rond de magneten wijst.

In bepaalde magnetische materialen, kleinere groepen atomen vormen samen gebieden die domeinen worden genoemd, waarin alle elektronen dezelfde magnetische oriëntatie hebben.

In de NTNU-magneten, deze domeinen ontmoeten elkaar op een centraal punt - de vortexkern - waar het magnetische moment direct in of uit het vlak van het materiaal wijst.

"Als we een magnetisch veld toepassen, steeds meer van deze domeinen zullen in dezelfde richting wijzen, " zegt Folven. "Ze kunnen groeien en ze kunnen krimpen, en dan kunnen ze in elkaar overgaan."

Elektronen bijna met de snelheid van het licht

Dit zien gebeuren is niet eenvoudig. De onderzoekers namen hun micromagneten mee naar een 80 meter brede, donutvormige synchrotron, bekend als BESSY II, in Berlijn, waar elektronen worden versneld totdat ze met bijna de lichtsnelheid reizen. Die snel bewegende elektronen zenden dan extreem heldere röntgenstralen uit.

"We nemen deze röntgenfoto's en gebruiken ze als het licht in onze microscoop, ', zegt Folven.

Omdat elektronen in bundels rond de synchrotron reizen, gescheiden door twee nanoseconden, de röntgenstralen die ze uitzenden komen in precieze pulsen.

Een scanning transmissie röntgenmicroscoop, of STXM, neemt die röntgenstralen om een ​​momentopname te maken van de magnetische structuur van het materiaal. Door deze snapshots aan elkaar te naaien, de onderzoekers kunnen in wezen een film maken die laat zien hoe de micromagneet in de loop van de tijd verandert.

Met de hulp van de STXM, Folven en zijn collega's verstoorden hun micromagneten met een stroomstoot die een magnetisch veld opwekte, en zag de domeinen van vorm veranderen en de vortexkern vanuit het centrum bewegen.

"Je hebt een heel kleine magneet, en dan prik je erin en probeer je het je voor te stellen terwijl het weer tot rust komt, "zegt hij. Daarna, ze zagen de kern terugkeren naar het midden - maar langs een kronkelend pad, geen rechte lijn.

"Het zal een soort van dans terug naar het centrum, ', zegt Folven.

Eén slip en het is voorbij

Dat komt omdat ze epitaxiale materialen bestuderen, die zijn gemaakt op een substraat waarmee onderzoekers de eigenschappen van het materiaal kunnen aanpassen, maar zou de röntgenstralen in een STXM blokkeren.

Werken in NTNU NanoLab, de onderzoekers losten het substraatprobleem op door hun micromagneet onder een laag koolstof te begraven om de magnetische eigenschappen te beschermen.

Daarna hakten ze voorzichtig en precies het onderliggende substraat weg met een gerichte bundel galliumionen totdat er slechts een heel dun laagje overbleef. Het moeizame proces kan acht uur per monster duren - en één fout kan rampzalig zijn.

"Het cruciale is dat, als je het magnetisme doodt, dat zullen we niet weten voordat we in Berlijn zitten, "zegt hij. "De truc is, natuurlijk, om meer dan één monster te brengen."

Van fundamentele fysica tot toekomstige apparaten

Gelukkig is het gelukt, en het team gebruikte hun zorgvuldig voorbereide monsters om in kaart te brengen hoe de domeinen van de micromagneet in de loop van de tijd groeien en krimpen. Ze creëerden ook computersimulaties om beter te begrijpen welke krachten aan het werk waren.

Naast het vergroten van onze kennis van de fundamentele fysica, begrijpen hoe magnetisme op deze lengte- en tijdschalen werkt, kan nuttig zijn bij het maken van toekomstige apparaten.

Magnetisme wordt al gebruikt voor gegevensopslag, maar onderzoekers zoeken momenteel naar manieren om het verder te exploiteren. De magnetische oriëntaties van de vortexkern en domeinen van een micromagneet, bijvoorbeeld, zou misschien kunnen worden gebruikt om informatie te coderen in de vorm van nullen en enen.

De onderzoekers streven er nu naar om dit werk te herhalen met anti-ferromagnetische materialen, waarbij het netto-effect van de individuele magnetische momenten teniet wordt gedaan. Deze zijn veelbelovend als het gaat om computers - in theorie, anti-ferromagnetische materialen kunnen worden gebruikt om apparaten te maken die weinig energie nodig hebben en stabiel blijven, zelfs als de stroom uitvalt, maar veel lastiger om te onderzoeken omdat de signalen die ze produceren veel zwakker zullen zijn.

Ondanks die uitdaging, Folven is optimistisch. "We hebben de eerste grond bedekt door te laten zien dat we monsters kunnen maken en er met röntgenstralen doorheen kunnen kijken, "zegt hij. "De volgende stap zal zijn om te kijken of we monsters van voldoende hoge kwaliteit kunnen maken om voldoende signaal van een anti-ferromagnetisch materiaal te krijgen."