Los investigadores de NTNU están arrojando luz sobre materiales magnéticos a pequeña escala mediante la creación de películas con la ayuda de algunos rayos X extremadamente brillantes.

Erik Folven, codirector del grupo de electrónica de óxido en el Departamento de Sistemas Electrónicos de NTNU, y colegas de NTNU y la Universidad de Gante en Bélgica se propusieron ver cómo cambian los microimanes de película delgada cuando son perturbados por un campo magnético exterior. La obra, parcialmente financiado por NTNU Nano y el Consejo de Investigación de Noruega, fue publicado en la revista Physical Review Research.

Pequeños imanes

Einar Standal Digernes inventó los diminutos imanes cuadrados utilizados en los experimentos.

Los diminutos imanes cuadrados creado por NTNU Ph.D. candidato Einar Standal Digernes, tienen solo dos micrómetros de ancho y se dividen en cuatro dominios triangulares, cada uno con una orientación magnética diferente apuntando en sentido horario o antihorario alrededor de los imanes.

En ciertos materiales magnéticos, grupos más pequeños de átomos se agrupan en áreas llamadas dominios, en el que todos los electrones tienen la misma orientación magnética.

En los imanes NTNU, estos dominios se encuentran en un punto central, el núcleo del vórtice, donde el momento magnético apunta directamente hacia adentro o hacia afuera del plano del material.

"Cuando aplicamos un campo magnético, cada vez más de estos dominios apuntarán en la misma dirección, "dice Folven." Pueden crecer y encogerse, y luego pueden fusionarse entre sí ".

Electrones casi a la velocidad de la luz

Ver que esto suceda no es fácil. Los investigadores llevaron sus microimanes a un sincrotrón en forma de rosquilla de 80 m de ancho, conocido como BESSY II, en Berlín, donde los electrones se aceleran hasta que viajan casi a la velocidad de la luz. Esos electrones que se mueven rápidamente emiten luego rayos X extremadamente brillantes.

"Tomamos estos rayos X y los usamos como luz en nuestro microscopio, "dice Folven.

Debido a que los electrones viajan alrededor del sincrotrón en grupos separados por dos nanosegundos, los rayos X que emiten vienen en pulsos precisos.

Un microscopio de rayos X de transmisión de barrido, o STXM, toma esos rayos X para crear una instantánea de la estructura magnética del material. Uniendo estas instantáneas, los investigadores pueden esencialmente crear una película que muestre cómo cambia el microimán con el tiempo.

Con la ayuda del STXM, Folven y sus colegas perturbaron sus microimanes con un pulso de corriente que generó un campo magnético, y vio que los dominios cambiaban de forma y el núcleo del vórtice se movía desde el centro.

"Tienes un imán muy pequeño, y luego lo tocas y tratas de imaginarlo mientras se asienta de nuevo, ", dice. Después, vieron el núcleo regresar al medio, pero a lo largo de un camino sinuoso, no una línea recta.

"Como una especie de baile de regreso al centro, "dice Folven.

Un resbalón y se acabó

Eso es porque estudian materiales epitaxiales, que se crean sobre un sustrato que permite a los investigadores modificar las propiedades del material, pero bloquearía los rayos X en un STXM.

Trabajando en NTNU NanoLab, Los investigadores resolvieron el problema del sustrato enterrando su microimán bajo una capa de carbono para proteger sus propiedades magnéticas.

Luego, cortaron con cuidado y precisión el sustrato debajo con un haz enfocado de iones de galio hasta que solo quedó una capa muy delgada. El minucioso proceso podría llevar ocho horas por muestra, y un desliz podría significar un desastre.

"Lo fundamental es que, si matas el magnetismo, no lo sabremos antes de sentarnos en Berlín, ", dice." El truco es, por supuesto, para traer más de una muestra ".

De la física fundamental a los dispositivos del futuro

Afortunadamente funcionó, y el equipo utilizó sus muestras cuidadosamente preparadas para trazar cómo los dominios del microimán crecen y se reducen con el tiempo. También crearon simulaciones por computadora para comprender mejor qué fuerzas actuaban.

Además de avanzar en nuestro conocimiento de la física fundamental, Comprender cómo funciona el magnetismo en estas escalas de longitud y tiempo podría ser útil para crear dispositivos futuros.

El magnetismo ya se utiliza para el almacenamiento de datos, pero los investigadores están buscando actualmente formas de explotarlo más. Las orientaciones magnéticas del núcleo del vórtice y los dominios de un microimán, por ejemplo, tal vez podría usarse para codificar información en forma de 0 y 1.

Los investigadores ahora tienen como objetivo repetir este trabajo con materiales anti-ferromagnéticos, donde se cancela el efecto neto de los momentos magnéticos individuales. Estos son prometedores en lo que respecta a la informática; en teoría, Los materiales anti-ferromagnéticos podrían usarse para fabricar dispositivos que requieren poca energía y permanecen estables incluso cuando se pierde la energía, pero es mucho más complicado de investigar porque las señales que producen serán mucho más débiles.

A pesar de ese desafío, Folven es optimista. "Hemos cubierto el primer terreno al demostrar que podemos hacer muestras y mirar a través de ellas con rayos X, ", dice." El próximo paso será ver si podemos hacer muestras de calidad suficientemente alta para obtener suficiente señal de un material anti-ferromagnético ".