Une nouvelle façon de voir le fonctionnement interne des minuscules aimants


Une nouvelle façon de voir le fonctionnement interne des minuscules aimants

Image de microscope à rayons X à balayage à transmission montrant comment les micro-aimants sont divisés en quatre domaines triangulaires, chacun avec orientation magnétique différente. Crédit photo: Einar DigernesNTNU

Les chercheurs de NTNU éclairent des matériaux magnétiques à petite échelle en réalisant des films à l’aide de rayons X extrêmement lumineux.

Erik Folven, codirecteur du groupe Oxide Electronics au département des systèmes électroniques de NTNU, et des collègues de NTNU et de l’Université de Gand en Belgique ont voulu découvrir comment les micro-aimants à couche mince changent lorsqu’ils sont perturbés par un champ magnétique. Le travail, qui a été partiellement financé par NTNU Nano et le Conseil norvégien de la recherche, a été publié dans la revue Physical Review Research.

Petits aimants

Einar Standal Digernes a inventé les aimants carrés utilisés dans les expériences.

Les minuscules aimants carrés fabriqués par NTNU Ph.D. Les candidats Einar Standal Digernes ne mesurent que deux microns de large et sont divisés en quatre domaines triangulaires, chacun avec une orientation magnétique différente pointant dans le sens horaire ou antihoraire autour des aimants.

Dans certains matériaux magnétiques, de plus petits groupes d’atomes se combinent pour former des zones appelées domaines, dans lesquels tous les électrons ont la même orientation magnétique.

Dans les aimants NTNU, ces domaines se rencontrent en un point central – le noyau vortex – où le moment magnétique pointe directement dans ou hors du plan matériel.

«Lorsque nous appliquons un champ magnétique, de plus en plus de ces domaines pointent dans la même direction», explique Folven. « Ils peuvent grandir et rétrécir, puis ils peuvent fusionner. »

Des électrons presque à la de la lumière

Ce n’est pas facile à . Les chercheurs ont amené leurs micro-aimants dans un synchrotron en forme de beignet de 80 m de large appelé BESSY II à Berlin, où les électrons sont accélérés jusqu’à ce qu’ils se déplacent presque à la vitesse de la lumière. Ces électrons en mouvement rapide émettent alors des rayons X extrêmement brillants.

«Nous prenons ces rayons X et les utilisons comme lumière dans notre microscope», explique Folven.

Parce que les électrons se déplacent autour du synchrotron en faisceaux séparés par deux nanosecondes, les rayons X qu’ils émettent viennent en impulsions précises.

Un microscope à rayons X à transmission par balayage (STXM) prend ces rayons X pour créer un instantané de la structure magnétique du matériau. En rassemblant ces instantanés, les chercheurs peuvent essentiellement créer un film qui montre comment le micro-aimant change au fil du temps.

Avec l’aide du STXM, Folven et ses collègues ont perturbé leurs micro-aimants avec une impulsion de courant qui a généré un champ magnétique et a vu les domaines se former et le noyau du vortex s’éloigner du centre.

«Vous avez un très petit aimant, puis vous vous cognez dessus et essayez de l’imaginer pendant qu’il s’ajuste», dit-il. Après cela, ils ont vu le noyau revenir au centre – mais le long d’un chemin sinueux, pas d’une ligne droite.

«Il va danser vers le centre d’une manière ou d’une autre», dit Folven.

Un glissement et c’est fini

C’est parce qu’ils étudient des matériaux épitaxiaux créés sur un substrat qui permettrait aux chercheurs de modifier les propriétés du matériau mais bloquerait les rayons X dans un STXM.

Dans NTNU NanoLab, les chercheurs ont résolu le problème du substrat en enterrant leur micro-aimant sous une couche de carbone pour protéger ses propriétés magnétiques.

Ensuite, ils ont soigneusement et précisément découpé le substrat sous-jacent avec un faisceau focalisé d’ions gallium jusqu’à ce qu’il ne reste qu’une couche très mince. Le processus méticuleux peut prendre huit heures par échantillon – et un glissement peut signifier un désastre.

«En fin de compte, si vous tuez le magnétisme avant notre arrivée à Berlin, nous ne le saurons pas», dit-il. « L’astuce, bien sûr, est d’apporter plus d’un échantillon. »

De la physique de base aux futurs appareils

Heureusement, cela a fonctionné, et en utilisant les échantillons soigneusement préparés, l’équipe a enregistré la croissance et la réduction des domaines du micro-aimant au fil du temps. Ils ont également créé des simulations informatiques pour mieux comprendre quelles forces étaient à l’œuvre.

En plus d’élargir nos connaissances en physique de base, comprendre comment le magnétisme fonctionne à ces échelles de longueur et de temps pourrait être utile dans le développement de futurs appareils.

Le magnétisme est déjà utilisé pour stocker des données, mais les chercheurs recherchent actuellement des moyens de continuer à l’utiliser. Par exemple, les orientations magnétiques du noyau vortex et des domaines d’un micro-aimant pourraient être utilisées pour coder des informations sous la forme de zéros et de uns.

Les chercheurs veulent maintenant répéter ce travail avec des matériaux antiferromagnétiques dans lesquels l’effet net des moments magnétiques individuels est annulé. Ceux-ci sont très prometteurs en matière d’informatique – en théorie, les matériaux anti-ferromagnétiques pourraient être utilisés pour fabriquer des appareils qui nécessitent peu d’énergie et restent stables même en cas de panne de courant – mais beaucoup plus difficiles à étudier car les signaux qu’ils génèrent sont beaucoup plus faibles.

Malgré ce défi, Folven est optimiste. «Nous avons couvert la première raison en montrant que nous pouvions faire des échantillons et les voir à travers les rayons X», dit-il. « La prochaine étape sera de voir si nous pouvons faire des échantillons de qualité suffisamment élevée pour obtenir suffisamment de signal d’un matériau antiferromagnétique. »


Piégeage d’électrons en action dans un nanofil antiferromagnétique


Plus d’information:
Einar Digernes et coll. Observation directe de la dynamique des tourbillons en fonction de la température dans un La0,7Sr.0,3MnO3 Micromagnet, Recherche de vérification physique (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevResearch.2.043429

Fourni par l’Université norvégienne des sciences et de la technologie

Citation: Une perspective sur le fonctionnement interne des minuscules aimants (2021, 10 mai), consulté le 10 mai 2021 sur https://phys.org/news/2021-05-tiny-magnets.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. Sauf pour le commerce équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est fourni à titre informatif uniquement.

Laisser un commentaire