En ny måde at se på den indre funktion af små magneter

Forskere fra NTNU kaster lys over magnetiske materialer i små skalaer ved at skabe film ved hjælp af nogle ekstremt skarpe røntgenstråler.

Erik Folven, meddirektør for oxidelektronikgruppen ved NTNUs afdeling for elektroniske systemer, og kolleger fra NTNU og Gent Universitet i Belgien satte sig for at se, hvordan tyndfilmsmikromagneter ændrer sig, når de forstyrres af et eksternt magnetfelt. Arbejdet, delvist finansieret af NTNU Nano og Norges forskningsråd, blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Research.

Små magneter

Einar Standal Digernes opfandt de bittesmå firkantede magneter, der blev brugt i eksperimenterne.

De små firkantede magneter, skabt af NTNU Ph.D. kandidat Einar Standal Digernes, er kun to mikrometer brede og opdelt i fire trekantede domæner, hver med en forskellig magnetisk orientering, der peger med eller mod uret rundt om magneterne.

I visse magnetiske materialer, mindre grupper af atomer binder sig sammen til områder kaldet domæner, hvor alle elektronerne har samme magnetiske orientering.

I NTNU-magneterne, disse domæner mødes i et centralt punkt – hvirvelkernen – hvor det magnetiske moment peger direkte ind eller ud af materialets plan.

"Når vi anvender et magnetfelt, flere og flere af disse domæner vil pege i samme retning, " siger Folven. "De kan vokse og de kan skrumpe, og så kan de smelte ind i hinanden."

Elektroner næsten med lysets hastighed

Det er ikke let at se dette ske. Forskerne tog deres mikromagneter til en 80 m bred donut-formet synkrotron, kendt som BESSY II, i Berlin, hvor elektroner accelereres, indtil de bevæger sig med næsten lysets hastighed. Disse hurtigt bevægende elektroner udsender derefter ekstremt klare røntgenstråler.

"Vi tager disse røntgenstråler og bruger dem som lyset i vores mikroskop, siger Folven.

Fordi elektroner rejser rundt om synkrotronen i bundter adskilt af to nanosekunder, de røntgenstråler, de udsender, kommer i præcise pulser.

Et scanningstransmission røntgenmikroskop, eller STXM, tager disse røntgenstråler for at skabe et øjebliksbillede af materialets magnetiske struktur. Ved at sy disse snapshots sammen, forskerne kan i det væsentlige lave en film, der viser, hvordan mikromagneten ændrer sig over tid.

Med hjælp fra STXM, Folven og hans kolleger forstyrrede deres mikromagneter med en strømpuls, der genererede et magnetfelt, og så domænerne ændre form og hvirvelkernen bevæge sig fra midten.

"Du har en meget lille magnet, og så stikker du i det og prøver at forestille dig det, mens det sætter sig igen, " siger han. Bagefter, de så kernen vende tilbage til midten - men langs en snoet sti, ikke en lige linje.

"Det vil ligesom danse tilbage til centrum, siger Folven.

Et slip og det er slut

Det er fordi de studerer epitaksiale materialer, som er skabt oven på et substrat, der giver forskere mulighed for at justere materialets egenskaber, men ville blokere røntgenstrålerne i en STXM.

Arbejder i NTNU NanoLab, forskerne løste substratproblemet ved at begrave deres mikromagnet under et kulstoflag for at beskytte dens magnetiske egenskaber.

Derefter huggede de forsigtigt og præcist substratet nedenunder med en fokuseret stråle af galliumioner, indtil der kun var et meget tyndt lag tilbage. Den omhyggelige proces kan tage otte timer pr. prøve - og en udglidning kan betyde en katastrofe.

"Det kritiske er, at hvis du dræber magnetismen, det ved vi ikke før vi sidder i Berlin, " siger han. "Tricket er, selvfølgelig, at medbringe mere end én prøve."

Fra grundlæggende fysik til fremtidige enheder

Heldigvis virkede det, og holdet brugte deres omhyggeligt forberedte prøver til at kortlægge, hvordan mikromagnetens domæner vokser og skrumper over tid. De skabte også computersimuleringer for bedre at forstå, hvilke kræfter der var på arbejde.

Udover at fremme vores viden om grundlæggende fysik, at forstå, hvordan magnetisme virker ved disse længde- og tidsskalaer, kan være nyttigt til at skabe fremtidige enheder.

Magnetisme bruges allerede til datalagring, men forskere leder i øjeblikket efter måder at udnytte det yderligere på. De magnetiske orienteringer af hvirvelkernen og domænerne af en mikromagnet, for eksempel, kunne måske bruges til at kode information i form af 0'er og 1'er.

Forskerne sigter nu mod at gentage dette arbejde med anti-ferromagnetiske materialer, hvor nettoeffekten af ​​de enkelte magnetiske momenter ophæves. Disse er lovende, når det kommer til computing - i teorien, anti-ferromagnetiske materialer kunne bruges til at lave enheder, der kræver lidt energi og forbliver stabile, selv når strømmen går tabt - men meget vanskeligere at undersøge, fordi de signaler, de producerer, vil være meget svagere.

På trods af den udfordring, Folven er optimistisk. "Vi har dækket den første grund ved at vise, at vi kan lave prøver og se dem igennem med røntgenstråler, " siger han. "Det næste skridt bliver at se, om vi kan lave prøver af tilstrækkelig høj kvalitet til at få nok signal fra et anti-ferromagnetisk materiale."