Een nieuwe manier om naar de innerlijke werking van kleine magneten te kijken

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

Erik Folven, mededirecteur 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 dunne-film micromagneten veranderen wanneer ze worden verstoord door een extern magnetisch veld. Het werk, gedeeltelijk gefinancierd door NTNU Nano en de Research Council of Norway, 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 opgesplitst in vier driehoekige domeinen, elk met een andere magnetische oriëntatie die met de klok mee of tegen de klok in rond de magneten wijst.

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

In de NTNU-magneten ontmoeten deze domeinen 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 aanleggen, zullen steeds meer van deze domeinen in dezelfde richting wijzen”, zegt Folven. “Ze kunnen groeien en ze kunnen krimpen, en dan kunnen ze in elkaar overvloeien.”

Elektronen bijna met de lichtsnelheid

Dit zien gebeuren is niet eenvoudig. De onderzoekers brachten hun micromagneten naar een 80 meter brede donutvormige synchrotron, bekend als BESSY II, in Berlijn, waar elektronen worden versneld totdat ze zich verplaatsen met bijna de snelheid van het licht. 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 zich in trossen door de synchrotron verplaatsen, gescheiden door twee nanoseconden, komen de röntgenstralen die ze uitzenden in precieze pulsen.

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

Met de hulp van de STXM verstoorden Folven en zijn collega’s hun micromagneten met een stroompuls die een magnetisch veld opwekte, en zagen de domeinen van vorm veranderen en de vortexkern vanuit het midden bewegen.

“Je hebt een heel kleine magneet, en dan prik je erin en probeer je hem voor te stellen terwijl hij weer bezinkt”, zegt hij. Daarna zagen ze de kern terugkeren naar het midden – maar langs een kronkelend pad, geen rechte lijn.

“Het zal een beetje terug naar het centrum dansen”, zegt Folven.

Een 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 de röntgenstralen in een STXM zouden blokkeren.

In NTNU NanoLab hebben de onderzoekers het substraatprobleem opgelost door hun micromagneet onder een laag koolstof te begraven om de magnetische eigenschappen ervan te beschermen.

Daarna sneden ze voorzichtig en precies het onderliggende substraat weg met een gefocusseerde bundel galliumionen totdat er nog maar een heel dun laagje overbleef. Het moeizame proces kan acht uur per monster duren – en een fout kan een ramp betekenen.

“Het belangrijkste is dat als je het magnetisme doodt, we dat niet zullen weten voordat we in Berlijn gaan zitten”, zegt hij. “De truc is natuurlijk om meer dan één monster mee te nemen.”

Van fundamentele fysica tot toekomstige apparaten

Gelukkig werkte het, 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 er aan het werk waren.

Naast het vergroten van onze kennis van fundamentele fysica, zou het begrijpen hoe magnetisme op deze lengte- en tijdschalen werkt, nuttig kunnen 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 zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om informatie te coderen in de vorm van nullen en enen.

De onderzoekers proberen dit werk nu te herhalen met anti-ferromagnetische materialen, waarbij het netto-effect van de individuele magnetische momenten teniet wordt gedaan. Deze zijn veelbelovend als het op computergebruik aankomt – in theorie zouden anti-ferromagnetische materialen kunnen worden gebruikt om apparaten te maken die weinig energie verbruiken en zelfs bij stroomuitval stabiel blijven, maar veel lastiger om te onderzoeken omdat de signalen die ze produceren veel zwakker zullen zijn .

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