reklama
reklama
© Pixabay Nauka i technologie |

"Rentgenowski krok ku superszybkiej nanoelektronice"

Zespół naukowców z Polski, Niemiec i Włoch opracował narzędzie, które może w przyszłości zostać wykorzystane w nanoelektronice, np. do budowy ultraszybkich przełączników magnetycznych. Jak podaje IFJ PAN w komunikacie prasowym, gdy zbudowany z odpowiednio dobranych warstw materiał o własnościach magnetycznych zostanie oświetlony impulsem z lasera rentgenowskiego, błyskawicznie się demagnetyzuje. Ważny krok ku osiągnięciu tego celu, poczynił właśnie ten międzynarodowy zespół w ramach wspólnego projektu badawczego European XFEL i IFJ PAN.

Świat wciąż się rozwija, technologie wciąż nas zadziwiają, jednak niezmiennym pozostaje fakt, że żadne urządzenie, które przetwarza informacje, nie osiągnie większej szybkości niż ta, z jaką zachodzą zjawiska fizyczne będące podstawą jego działania. Stawia to nieustanne wyzwanie fizykom, którzy poszukują nowych zjawisk zachodzących w coraz krótszych skalach przestrzennych i czasowych, a zarazem poddających się łatwej kontroli. 

Obiecująco zapowiadają się właśnie badania nad procesami demagnetyzacji materiałów wielowarstwowych, które są inicjowane ultraszybkimi impulsami lasera rentgenowskiego. To właśnie w tej dziedzinie zespół fizyków z Polski, Niemiec i Włoch pracujący w europejskim laserze rentgenowskim European XFEL oraz w ośrodku DESY w Hamburgu, odnotował znaczące osiągnięcie. Jak podaje IFJ PAN w komunikacie prasowym, naukowcy ci zaprezentowali na łamach prestiżowego czasopisma naukowego „npj Computational Materials” pierwsze narzędzie pozwalające symulować przebieg demagnetyzacji wywołanej promieniowaniem rentgenowskim. 

„W ostatnich latach fizykom udało się dość dobrze poznać procesy demagnetyzacji inicjowane światłem widzialnym i podczerwonym. Gdy jednak chodzi o wpływ promieniowania bardziej energetycznego, rentgenowskiego, wszyscy dopiero stawiamy pierwsze kroki. Wkład naszego zespołu polega na skonstruowaniu modelu teoretycznego o nazwie XSPIN. Za jego pomocą po raz pierwszy można symulować demagnetyzację w wielowarstwowych materiałach ferromagnetycznych wystawionych na femtosekundowe impulsy światła z lasera rentgenowskiego” - mówi prof. dr hab. Beata Ziaja-Motyka (CFEL, DESY i IFJ PAN), która razem z profesorami Alexandrem Lichtensteinem (Hamburg University i European XFEL) i Sergiejem Molodtsovem (European XFEL) zainicjowała ten projekt badawczy.

Zjawisko szybkiej demagnetyzacji w materiałach wielowarstwowych odkryto w 1996 roku, od początku wzbudziło zainteresowanie naukowców na całym świecie. Dostępna wtedy technologia ograniczała jednak postęp badań. Ostatnia dekada przyniosła fizykom dostęp do urządzeń generujących bardziej wymagające światło rentgenowskie o większym natężeniu, tym samym naukowcy zyskali szerszy dostęp do laserów na swobodnych elektronach (X-Ray Free-Electron Laser, XFEL).

„XSPIN to rozwinięcie wcześniejszego narzędzia symulacyjnego, konstruowanego przez nas od ponad dekady z myślą o przewidywaniu zjawisk związanych z oddziaływaniem impulsów laserowych na materiały. Model ten nie rozróżniał, jaką orientację mają spiny elektronów w materiałach, a zatem nie opisywał ich właściwości magnetycznych. Główne wyzwanie polegało więc na umiejętnym rozbudowaniu modelu w taki sposób, aby uwzględnić polaryzację elektronów” – wyjaśniają dr hab. Konrad J. Kapcia, prof. UAM (CFEL, DESY i UAM, Poznań) i dr Victor Tkachenko (IFJ PAN), pierwsi autorzy pracy.

W komunikacie IFJ PAN czytamy dalej, że poprawność nowego narzędzia zweryfikowano, zestawiając jego przewidywania z danymi zebranymi w jednym z wcześniejszych eksperymentów przeprowadzonych techniką mSAXS w laserze na swobodnych elektronach FERMI we Włoszech. Próbką był materiał składający się z 16 naprzemiennych warstw kobaltu i platyny, z czego każdy miał grubość tylko jednego nanometra. Jak poinformowano, energia fotonów emitowanych przez laser FERMI wynosiła 60 elektronowoltów, zaś w trakcie oddziaływania z materiałem światło rentgenowskie rozpraszało się i za próbką tworzyło pierścień dyfrakcyjny. Pierścień ten oceniono jako istotne źródło informacji, ponieważ jego średnica zależy od średniej odległości między domenami magnetycznymi w materiale, a natężenie jest tym większe, im silniejsze są właściwości magnetyczne próbki.

„W analizowanym eksperymencie pierścień dyfrakcyjny zachowywał się zgodnie przewidywaniami naszego modelu. Gdy natężenie światła oświetlającego próbkę rosło, jego średnica pozostawała stała, zatem układ domen magnetycznych w materiale się nie zmieniał. Jednocześnie im większe było natężenie światła padającego, tym pierścień był słabszy wskutek zachodzącej demagnetyzacji. Ponadto zmierzone czasy demagnetyzacji były rzędu 100 femtosekund, co także zgadzało się z naszymi symulacjami.” – podkreśla dr hab. Przemysław Piekarz, prof. IFJ PAN.

Oznacza to, że fizycy po raz pierwszy będą dysponowali narzędziem, pozwalającym kontrolować demagnetyzację wywołaną promieniowaniem rentgenowskim. Naukowcy zaznaczają, że model XSPIN będzie dalej rozbudowywany i konfrontowany z wynikami kolejnych doświadczeń z materiałami wielowarstwowymi, tyle że zawierającymi już inne ferromagnetyki niż kobalt i oświetlanymi przez fotony o istotnie większych energiach. Przewidywane są dalsze badania i eksperymenty, które mają zostać przeprowadzone w USA również na innych rodzajach próbek.

W czym przypuszczalnie można byłoby zastosować demagnetyzację indukowaną promieniowaniem rentgenowskim? Na przykład w budowie urządzeń nanoelektronicznych nowej generacji, ultraszybkich przełącznikach magnetycznych sterowanych impulsami laserowymi czy w dynamicznych pamięciach komputerowych.

reklama
reklama
February 01 2023 23:01 V20.12.5-1