NTNU的研究人员通过在一些极亮x射线的帮助下制作电影，在小尺度上揭示磁性材料。
Erik Folven是NTNU电子系统系氧化物电子学组的联合主任，他和来自NTNU和比利时根特大学的同事们开始研究薄膜微磁铁在受到外界磁场干扰时是如何变化的。这项研究部分由NTNU纳米和挪威研究委员会资助，发表在《物理评论研究》杂志上。
微小的磁铁
Einar Standal Digernes发明了实验中使用的微型方形磁铁。
NTNU博士候选人Einar Standal Digernes创造了这种微小的方形磁铁，只有两微米宽，分为四个三角形区域，每个区域都有不同的磁性方向，围绕磁铁顺时针或逆时针。
在某些磁性材料中，更小的原子群聚集在一起形成称为畴的区域，其中所有的电子都具有相同的磁性取向。
在NTNU磁体中，这些域在中心点会合——涡核——磁矩直接指向材料平面内或平面外。
Folven说:“当我们施加磁场时，越来越多的这些畴将指向同一个方向。”“它们可以增长，也可以缩小，然后彼此融合。”
电子几乎以光速运动
看到这一切并不容易。研究人员将他们的微磁体带到柏林的一个80米宽的甜甜圈形状的同步加速器(被称为BESSY II)中，在那里电子被加速，直到它们几乎以光速移动。这些快速移动的电子会发射出极其明亮的x射线。
福尔文说:“我们把这些x射线用作显微镜的光。”
由于电子以两纳秒的间隔在同步加速器周围移动，它们发射的x射线以精确的脉冲形式出现。
扫描透射x射线显微镜(STXM)利用这些x射线来创建材料磁性结构的快照。通过将这些快照拼接在一起，研究人员基本上可以制作一部电影，展示微磁体如何随时间变化。
在STXM的帮助下，Folven和他的同事用产生磁场的电流脉冲扰乱了他们的微磁体，并看到畴的形状发生了变化，漩涡核心从中心移动。
他说:“你有一个非常小的磁铁，然后你戳它，试着想象它再次稳定下来的样子。”之后，他们看到地核回到中心——但沿着一条蜿蜒的路径，而不是一条直线。
Folven说:“它会回到中心。
一滑就完了
这是因为他们研究的是外延材料，外延材料是在衬底上产生的，允许研究人员调整材料的性质，但会阻挡STXM中的x射线。
研究人员在NTNU纳米实验室工作，通过将微磁体埋在一层碳下来保护其磁性，解决了基底问题。
然后，他们用聚焦的镓离子束小心而精确地凿开下面的衬底，直到只剩下一层非常薄的层。这一艰苦的过程可能需要8个小时才能完成一个样本，稍有不慎就可能带来灾难。
他说:“关键是，如果你扼杀了磁场，我们在抵达柏林之前是不会知道的。”“诀窍当然是多带几个样品。”
从基础物理学到未来的设备
值得庆幸的是，它起作用了，研究小组使用他们精心准备的样品来绘制微磁体的结构域如何随着时间的推移而增长和收缩。他们还创建了计算机模拟，以更好地了解是什么力量在起作用。
除了提高我们对基础物理的知识，了解磁力在这些长度和时间尺度上的工作原理可能有助于创造未来的设备。
磁性已经被用于数据存储，但研究人员目前正在寻找进一步利用它的方法。例如，涡核的磁方向和微磁体的畴，可以用来编码0和1形式的信息。
研究人员现在打算用反铁磁材料重复这一工作，在这种材料中，单个磁矩的净效应会相互抵消。当涉及到计算时，这些是有希望的——理论上，反铁磁材料可以用来制造需要很少能量的设备，即使在断电时也能保持稳定——但要研究起来要棘手得多，因为它们产生的信号要弱得多。
尽管面临这样的挑战，福尔文还是很乐观。他说:“我们已经通过展示我们可以制作样品并通过x射线来观察它们，从而覆盖了第一个领域。”“下一步将是看看我们是否能制造出足够高质量的样本，以从反铁磁材料中获得足够的信号。”
发布时间:2021年5月10日