Forskare från NTNU belyser magnetiska material i liten skala genom att skapa filmer med hjälp av några extremt ljusstarka röntgenstrålar.

Erik Folven, meddirektör för oxidelektronikgruppen vid NTNU:s institution för elektroniska system, och kollegor från NTNU och Ghent University i Belgien gav sig ut för att se hur tunnfilmsmikromagneter förändras när de störs av ett yttre magnetfält. Arbetet, delvis finansierad av NTNU Nano och Norges forskningsråd, publicerades i tidskriften Physical Review Research.

Små magneter

Einar Standal Digernes uppfann de små fyrkantiga magneterna som användes i experimenten.

De små fyrkantiga magneterna, skapad av NTNU Ph.D. kandidat Einar Standal Digernes, är bara två mikrometer breda och uppdelade i fyra triangulära domäner, var och en med olika magnetisk orientering som pekar medurs eller moturs runt magneterna.

I vissa magnetiska material, mindre grupper av atomer binder samman till områden som kallas domäner, där alla elektroner har samma magnetiska orientering.

I NTNU-magneterna, dessa domäner möts vid en central punkt – vortexkärnan – där det magnetiska momentet pekar direkt in i eller ut ur materialets plan.

"När vi applicerar ett magnetfält, fler och fler av dessa domäner kommer att peka i samma riktning, säger Folven. De kan växa och de kan krympa, och sedan kan de smälta in i varandra."

Elektroner nästan med ljusets hastighet

Att se detta hända är inte lätt. Forskarna tog sina mikromagneter till en 80 m bred munkformad synkrotron, känd som BESSY II, i Berlin, där elektroner accelereras tills de färdas med nästan ljusets hastighet. Dessa snabbt rörliga elektroner avger sedan extremt ljusa röntgenstrålar.

"Vi tar dessa röntgenstrålar och använder dem som ljuset i vårt mikroskop, säger Folven.

Eftersom elektroner färdas runt synkrotronen i buntar åtskilda av två nanosekunder, röntgenstrålningen de avger kommer i exakta pulser.

Ett röntgenmikroskop med scanning, eller STXM, tar dessa röntgenbilder för att skapa en ögonblicksbild av materialets magnetiska struktur. Genom att sy ihop dessa ögonblicksbilder, forskarna kan i huvudsak skapa en film som visar hur mikromagneten förändras över tiden.

Med hjälp av STXM, Folven och hans kollegor störde sina mikromagneter med en strömpuls som genererade ett magnetfält, och såg domänerna ändra form och virvelkärnan flytta från mitten.

"Du har en väldigt liten magnet, och sedan petar du i den och försöker avbilda den när den lägger sig igen, säger han. Efteråt, de såg kärnan återvända till mitten - men längs en slingrande stig, inte en rak linje.

"Det kommer liksom att dansa tillbaka till centrum, säger Folven.

En slip och det är över

Det beror på att de studerar epitaxiella material, som skapas ovanpå ett substrat som gör det möjligt för forskare att justera materialets egenskaper, men skulle blockera röntgenstrålarna i en STXM.

Arbetar i NTNU NanoLab, forskarna löste substratproblemet genom att gräva ner sin mikromagnet under ett lager av kol för att skydda dess magnetiska egenskaper.

Sedan flisade de försiktigt och exakt bort substratet under med en fokuserad stråle av galliumjoner tills endast ett mycket tunt lager återstod. Den mödosamma processen kan ta åtta timmar per prov – och ett fall kan innebära en katastrof.

"Det kritiska är att om du dödar magnetismen, det får vi inte veta innan vi sitter i Berlin, " säger han. "Knepet är, självklart, att ta med mer än ett prov."

Från grundläggande fysik till framtida enheter

Tack och lov fungerade det, och teamet använde sina noggrant förberedda prover för att kartlägga hur mikromagnetens domäner växer och krymper över tiden. De skapade också datorsimuleringar för att bättre förstå vilka krafter som verkade.

Förutom att utveckla våra kunskaper om grundläggande fysik, Att förstå hur magnetism fungerar vid dessa längd- och tidsskalor kan vara till hjälp för att skapa framtida enheter.

Magnetism används redan för datalagring, men forskare letar för närvarande efter sätt att utnyttja det ytterligare. De magnetiska orienteringarna av virvelkärnan och domänerna i en mikromagnet, till exempel, skulle kanske kunna användas för att koda information i form av 0:or och 1:or.

Forskarna siktar nu på att upprepa detta arbete med antiferromagnetiska material, där nettoeffekten av de individuella magnetmomenten upphör. Dessa är lovande när det gäller datoranvändning – i teorin, anti-ferromagnetiska material kan användas för att göra enheter som kräver lite energi och förblir stabila även när strömmen går förlorad – men mycket svårare att undersöka eftersom signalerna de producerar kommer att vara mycket svagare.

Trots den utmaningen, Folven är optimistisk. "Vi har täckt den första marken genom att visa att vi kan göra prover och titta igenom dem med röntgenstrålar, " säger han. "Nästa steg blir att se om vi kan göra prover av tillräckligt hög kvalitet för att få tillräckligt med signal från ett antiferromagnetiskt material."