NTNU 的研究人员正在通过一些极其明亮的 X 射线的帮助制作电影，从而在小尺度上揭示磁性材料。NTNU 电子系统系氧化物电子组的联合主任 Erik Folven 和来自 NTNU 和比利时根特大学的同事着手研究薄膜微磁体在受到外部磁场干扰时如何变化。这项工作由 NTNU Nano 和挪威研究委员会部分资助，发表在《物理评论研究》杂志上。

Einar Standal Digernes 发明了实验中使用的微小方形磁铁。

由NTNU博士创造的微小方形磁铁 候选 Einar Standal Digernes，只有 2 微米宽，分成四个三角形域，每个域都有不同的磁方向，围绕磁铁顺时针或逆时针指向。

在某些磁性材料中，较小的原子组结合在一起形成称为畴的区域，其中所有电子具有相同的磁取向。

在 NTNU 磁体中，这些磁畴在中心点(涡核)相遇，磁矩直接指向材料平面的内部或外部。

“当我们施加磁场时，越来越多的这些域将指向同一个方向，”Folven 说。“它们可以生长，也可以收缩，然后又可以融合在一起。”

电子几乎以光速

看到这种情况并不容易。研究人员将他们的微型磁铁带到柏林一个 80 米宽的甜甜圈形同步加速器，称为 BESSY II，在那里电子被加速，直到它们以接近光速的速度行进。那些快速移动的电子会发出极其明亮的 X 射线。

“我们将这些 X 射线用作显微镜中的光，”Folven 说。

由于电子以相隔两纳秒的束束围绕同步加速器行进，因此它们发射的 X 射线以精确的脉冲形式出现。

扫描透射 X 射线显微镜或 STXM 使用这些 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，研究人员实质上可以制作一部电影，展示微磁体随时间的变化。

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，并看到磁畴改变形状并且涡旋核心从中心移动。

“你有一个非常小的磁铁，然后你戳它并尝试在它再次稳定时成像，”他说。之后，他们看到铁心回到中间，但沿着弯曲的路径，而不是直线。

“它会像跳舞一样回到中心，”福尔文说。

一滑就完蛋了

那是因为他们研究外延材料，这些材料是在基板顶部创建的，允许研究人员调整材料的特性，但会阻挡 STXM 中的 X 射线。

在 NTNU NanoLab 中，研究人员通过将微型磁铁埋在一层碳下以保护其磁性来解决基板问题。

然后，他们用聚焦的镓离子束小心而精确地切掉下面的基板，直到只剩下非常薄的一层。每个样本的艰苦过程可能需要 8 个小时——一个失误可能会导致灾难。

“关键是，如果你消除了磁性，我们在柏林之前是不会知道的，”他说。“当然，诀窍是带多个样本。”

从基础物理学到未来设备

值得庆幸的是，它奏效了，该团队使用他们精心准备的样本绘制了微磁域如何随着时间的推移而增长和缩小的图表。他们还创建了计算机模拟，以更好地了解哪些力量在起作用。

除了提高我们对基础物理学的了解之外，了解磁性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，涡核的磁取向和微磁体的磁畴或许可以用来以 0 和 1 的形式对信息进行编码。

研究人员现在的目标是用反铁磁材料重复这项工作，其中各个磁矩的净效应相互抵消。这些在计算方面很有前景——理论上，反铁磁材料可用于制造几乎不需要能量并且即使在断电时也能保持稳定的设备——但要研究起来要困难得多，因为它们产生的信号会弱得多.

尽管面临挑战，Folven 仍然乐观。“我们已经通过展示我们可以制作样品并用 X 射线观察它们来覆盖第一层，”他说。“下一步将是看看我们是否可以制作足够高质量的样本，以便从反铁磁材料中获得足够的信号。”