I ricercatori di NTNU stanno facendo luce sui materiali magnetici su piccola scala creando filmati con l'aiuto di alcuni raggi X estremamente luminosi.

Erik Folven, co-direttore del gruppo di elettronica dell'ossido presso il Dipartimento di sistemi elettronici di NTNU, e colleghi dell'NTNU e dell'Università di Ghent in Belgio hanno cercato di vedere come i micromagneti a film sottile cambiano quando vengono disturbati da un campo magnetico esterno. Il lavoro, parzialmente finanziato da NTNU Nano e dal Research Council of Norway, è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Research.

Piccoli magneti

Einar Standal Digernes ha inventato i minuscoli magneti quadrati utilizzati negli esperimenti.

I minuscoli magneti quadrati, creato da NTNU Ph.D. candidato Einar Standal Digernes, sono larghe solo due micrometri e divise in quattro domini triangolari, ciascuno con un diverso orientamento magnetico che punta in senso orario o antiorario attorno ai magneti.

In alcuni materiali magnetici, gruppi più piccoli di atomi si uniscono in aree chiamate domini, in cui tutti gli elettroni hanno lo stesso orientamento magnetico.

Nei magneti NTNU, questi domini si incontrano in un punto centrale, il nucleo del vortice, dove il momento magnetico punta direttamente dentro o fuori dal piano del materiale.

"Quando applichiamo un campo magnetico, sempre più di questi domini punteranno nella stessa direzione, "dice Folven. "Possono crescere e possono rimpicciolirsi, e poi possono fondersi l'uno nell'altro."

Elettroni quasi alla velocità della luce

Vedere questo accadere non è facile. I ricercatori hanno portato i loro micromagneti in un sincrotrone a forma di ciambella largo 80 m, noto come BESSY II, a Berlino, dove gli elettroni vengono accelerati fino a viaggiare quasi alla velocità della luce. Questi elettroni in rapido movimento emettono quindi raggi X estremamente luminosi.

"Prendiamo questi raggi X e li usiamo come luce nel nostro microscopio, "dice Folven.

Poiché gli elettroni viaggiano intorno al sincrotrone in gruppi separati da due nanosecondi, i raggi X che emettono arrivano in impulsi precisi.

Un microscopio a raggi X a trasmissione a scansione, o STXM, prende quei raggi X per creare un'istantanea della struttura magnetica del materiale. Cucendo insieme queste istantanee, i ricercatori possono essenzialmente creare un film che mostra come il micromagnete cambia nel tempo.

Con l'aiuto di STXM, Folven e i suoi colleghi hanno disturbato i loro micromagneti con un impulso di corrente che ha generato un campo magnetico, e ho visto i domini cambiare forma e il nucleo del vortice muoversi dal centro.

"Hai un magnete molto piccolo, e poi lo colpisci e provi a immaginarlo mentre si sistema di nuovo, " dice. In seguito, videro il nucleo tornare al centro, ma lungo un sentiero tortuoso, non una linea retta.

"Si tornerà a ballare al centro, "dice Folven.

Uno scivolone ed è finita

Questo perché studiano materiali epitassiali, che vengono creati su un substrato che consente ai ricercatori di modificare le proprietà del materiale, ma bloccherebbe i raggi X in un STXM.

Lavorando in NTNU NanoLab, i ricercatori hanno risolto il problema del substrato seppellendo il loro micromagnete sotto uno strato di carbonio per proteggerne le proprietà magnetiche.

Quindi hanno scheggiato con cura e precisione il substrato sottostante con un raggio concentrato di ioni di gallio fino a quando è rimasto solo uno strato molto sottile. Il processo meticoloso potrebbe richiedere otto ore per campione e un errore potrebbe significare un disastro.

"La cosa critica è che, se uccidi il magnetismo, non lo sapremo prima di sederci a Berlino, " dice. "Il trucco è, Certo, portare più di un campione."

Dalla fisica fondamentale ai dispositivi futuri

Per fortuna ha funzionato, e il team ha utilizzato i loro campioni preparati con cura per tracciare come i domini del micromagnete crescono e si riducono nel tempo. Hanno anche creato simulazioni al computer per capire meglio quali forze erano all'opera.

Oltre a migliorare la nostra conoscenza della fisica fondamentale, capire come funziona il magnetismo a queste lunghezze e scale temporali potrebbe essere utile nella creazione di dispositivi futuri.

Il magnetismo è già utilizzato per l'archiviazione dei dati, ma i ricercatori sono attualmente alla ricerca di modi per sfruttarlo ulteriormente. Gli orientamenti magnetici del nucleo del vortice e i domini di un micromagnete, Per esempio, potrebbe forse essere usato per codificare informazioni sotto forma di 0 e 1.

I ricercatori ora mirano a ripetere questo lavoro con materiali antiferromagnetici, dove si annulla l'effetto netto dei singoli momenti magnetici. Questi sono promettenti quando si tratta di informatica, in teoria, i materiali anti-ferromagnetici potrebbero essere utilizzati per realizzare dispositivi che richiedono poca energia e rimangono stabili anche in caso di interruzione dell'alimentazione, ma è molto più complicato indagare perché i segnali che producono saranno molto più deboli.

Nonostante quella sfida, Folven è ottimista. "Abbiamo coperto il primo terreno dimostrando che possiamo fare dei campioni e guardarli attraverso i raggi X, ", dice. "Il prossimo passo sarà vedere se siamo in grado di realizzare campioni di qualità sufficientemente elevata da ottenere un segnale sufficiente da un materiale antiferromagnetico".