Tutkimus

Barkhausenin kohina paljastaa materiaalin mikrorakenteen

Lasse Laurson
Suurin osa Barkhausenin kohinasta voi olla piilossa magneettisten rajapintojen sisällä.

Kun ferromagneettisen kappaleen laittaa muuttuvaan magneettikenttään, kappaleen sisäiset magneettiset rajapinnat alkavat liikkua epäsäännöllisesti. Nämä liikahdukset aiheuttavat muutoksia kappaleen magneettisuuteen. Ilmiö tunnettaan nimellä Barkhausenin kohina.

Ilmiö itsessään on tunnettu jo noin sadan vuoden ajan, mutta kaikkia sen ominaisuuksia ei vielä ymmärretä. Uudessa tutkimuksessa on nyt osoitettu, että suurin osa Barkhausenin kohinasta voi ilmetä kappaleen magneettisten rajapintojen sisällä.

– Ilmiön osoittaminen vaati uudenlaisen simulaation, jolla pystyimme kuvaamaan rajapintojen sisäistä rakennetta ja siihen liittyvää dynamiikkaa. Kehitimme suureen, jonka avulla voimme havainnoida, kuinka paljon magneettista aktiviteettia on rajapintojen sisällä. Olemme havainneet rajapinnan sisäistä kohinaa, jonka amplitudi on yllättävän iso. Jopa isompi kuin rajapinnan etenemiseen liittyvän kohinan amplitudi, laskennallisen fysiikan tenure track –professori Lasse Laurson kertoo.

Tutkimus liittyy Fysiikan tutkimuslaitoksen (Helsinki Institute of Physics, HIP) Teoriaohjelman Domain Wall Dynamics –tutkimusprojektiin, jota Laurson johtaa.

Ferromagneettiset aineet magnetisoituvat herkästi

Barkhausenin kohinan mittaaminen on ainetta rikkomaton testausmenetelmä, jolla voidaan tutkia ferromagneettisten materiaalien mikrorakennetta. Ferromagneettisissa materiaaleissa aineen pysyvät magneettiset dipolit eli eräänlaiset pienet ”alkeismagneetit” pyrkivät spontaanisti osoittamaan samaan suuntaan.

Tällaiset aineet magnetoituvat helposti ja voimakkaasti ulkoisessa magneettikentässä.  Magneettisuus voi myös olla pysyvää. Ferromagneettisia aineita ovat esimerkiksi nikkeli, rauta ja koboltti.

– Jos otamme vaikkapa pienen rautakappaleen, sen sisällä on monia pieniä magnetoituneita alueita, joissa magnetisaatio osoittaa kussakin eri suuntaan. Kun laitamme tällaisen kappaleen magneettikenttään, näitä alueita erottavat rajapinnat lähtevät liikkeelle.  Barkhausenin kohina syntyy näistä liikkeistä, Laurson toteaa.

Barkhausenin kohinan voi myös kuulla kaiuttimen kautta

Tutkittavassa aineessa olevat pienet epäpuhtaudet saavat aikaan sen, että rajapinnat hyppivät epäsäännöllisesti. Rajapinta voi ensin takertua johonkin esteeseen ja hypätä sitten äkillisesti eteenpäin. Rajapintojen liikahdukset aiheuttavat muutoksia kappaleen magneettisuuteen, jota mittaamalla saadaan Barkhausenin kohina -signaali.

– Jos tutkittava kappale kytketään kovaääniseen, Barkhausenin kohinan voi kuulla. Ääni on eräänlaista rahisevaa kohinaa, joka muistuttaa karkkipaperin rapinaa. Signaalia voidaan kuvata aikasarjana, joka koostuu purskeista, joita on hyvin ei kokoisia. Purskeilla on siis leveä kokojakauma, samaan tapaan kuin esimerkiksi maanjäristyksillä. Barkhausenin ilmiö onkin kiinnostava tutkimuskohde statistisessa fysiikassa, jossa ollaan kiinnostuneita fysikaalisten systeemien tilastollisista ominaisuuksista, Laurson sanoo.

Kokeellisesti rajapintojen sisällä tapahtuvan Barkhausenin kohinan tutkiminen on haastavaa. Rajapinnat ovat hyvin kapeita ja ajallisesti tapahtumat ovat äärimmäisen lyhyitä.

– Hyvin pieniä tapahtumia täytyisi havainnoida hyvin lyhyessä ajassa. Tarvittavalta kokeelliselta menetelmältä vaadittaisiin siis hyvin korkea paikka- ja aikaresoluutio, Laurson kertoo.

Tutkimuksessa simuloitiin numeerisesti puolen nanometrin paksuista magneettista kobolttilevyä, joka oli kahden platinakerroksen välissä. Koboltti-platina -rajapinnat tuottavat ohueen ferromagneettiseen kobolttikerrokseen ohutkalvon tasoa vastaan kohtisuorassa olevan magneettisen anisotropian, jonka seurauksena magneettisen rajapinnan ulkopuolisissa alueissa magnetoituma osoittaa tasosta ulospäin.

Tuotteiden laatu voidaan testata rikkomatta niitä

Barkhausenin kohinan parempi ymmärtäminen auttaa esimerkiksi teollisuuden laadunvalvonnassa. Teollisuus kaipaa keinoja, joiden avulla tuotteen laatu pystytään varmistamaan sitä tuhoamatta.

– Ajatellaan esimerkiksi tuulivoimalan rataspyörää. Tavoitteena on luoda siitä mahdollisimman kestävä. Barkhausenin kohinan avulla voimme tutkia osan rakennetta tuhoamatta sitä. Jos rakenteessa on epätasaisuuksia tai muita heikkouksia, Barkhausenin kohina paljastaa ne, Laurson kertoo.

 

Linkki tutkimukseen

Tutkimusryhmän kotisivut

 

Teksti: Jaakko Kinnunen