Gecombineerde techniek met behulp van diamanten sondes maakt beeldvorming op nanoschaal van magnetische wervelstructuren mogelijk

Het verkrijgen van een nauwkeurig begrip van magnetische structuren is een van de belangrijkste doelstellingen van de vaste-stoffysica. Op dit gebied wordt momenteel veel onderzoek gedaan met als doel toekomstige dataverwerkingstoepassingen te ontwikkelen die gebruik maken van kleine magnetische structuren als informatiedragers. Natuurkundigen van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) en het Helmholtz Instituut Mainz (HIM) presenteerden onlangs een nieuwe methode voor het onderzoeken van magnetische structuren door twee verschillende technieken te combineren. Dit maakt het mogelijk om zowel de magnetisatie als de magnetische velden van het monster te meten en in kaart te brengen. Bij het project waren atoomfysici betrokken van de werkgroep onder leiding van professor Dmitry Budker en het team van experimentele vaste-stoffysici onder leiding van professor Mathias Kläui. De bevindingen zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast​

“In dit project hebben we twee kwantumdetectietechnieken gecombineerd die nog nooit eerder samen waren gebruikt om een ​​monster te analyseren”, legt Till Lenz uit, eerste auteur van het artikel en promovendus in de groep van Budker. Een bekende methode die in de vaste-stoffysica wordt gebruikt, maakt gebruik van het magneto-optische Kerr-effect (MOKE) om magnetische velden en magnetisatie te detecteren. “Maar dit geeft ons maar een beperkte hoeveelheid informatie”, zei Lenz. Daarom besloten de onderzoekers om het Kerr-effect te combineren met magnetometriemethoden die gebruik maken van zogenaamde diamantkleurcentra om ook magnetische velden in kaart te brengen. “We hopen dat dit tot nieuwe inzichten zal leiden als het gaat om vaste-stoffysica en ferromagnetische structuren”, zegt Georgios Chatzidrosos, ook een doctoraatsstudent in de Budker-groep. Professor Mathias Kläui is enthousiast over de nieuwe meetmogelijkheden: “Het gebruik van diamanten sondes biedt een gevoeligheid die geheel nieuwe opties opent met betrekking tot meetpotentialen.”

Nieuwe gecombineerde meetmethoden kunnen worden gebruikt in een groot aantal verschillende omgevingsomstandigheden

Diamant is niet alleen een edelsteen, maar wordt ook gebruikt om snij- en slijpgereedschappen van te maken. Specifieke defecten in het diamantkristalrooster resulteren in eigenschappen die kunnen worden gebruikt om magnetische structuren te onderzoeken. Deze kleurcentra, ook wel stikstof-vacaturecentra genoemd, zijn puntdefecten in de koolstofroosterstructuur van diamant. De onderzoeksgroep onder leiding van professor Dmitry Budker gebruikt deze kleurcentra in diamant als sondes om magnetische verschijnselen te meten.

Op diamanten gebaseerde magnetometers kunnen zowel bij zeer lage temperaturen als bij temperaturen boven kamertemperatuur functioneren, terwijl de afstanden die nodig zijn tussen monster en sonde minuscuul kunnen zijn, in het bereik van slechts enkele nanometers. “We hebben een dun laagje stikstofdefecten in een diamantkristal en hiermee kunnen we magnetische structuren in kaart brengen en foto’s maken van magnetische velden”, legt dr. Arne Wickenbrock van de Budker-groep uit. En co-auteur Dr. Lykourgos Bougas voegde toe: “Door alle componenten van een magnetisch veld in kaart te brengen, kunnen we de mogelijkheden van magneto-optische metingen aanvullen en uitbreiden.”

“De sonde die werkt met behulp van diamantkleurcentra is veel gevoeliger dan conventionele gereedschappen en levert ons buitengewoon goede resultaten op. We hebben toegang tot enkele fascinerende voorbeelden, wat resulteert in unieke mogelijkheden voor samenwerking”, benadrukt professor Mathias Kläui, het voordeel van de samenwerking tussen de twee onderzoeksgroepen beschrijven. “Door onze complementaire meettechnieken te combineren, kunnen de magnetische eigenschappen van onze monsters volledig worden gereconstrueerd.” Het recent gepubliceerde artikel is het product van teamwerk binnen het Top-level Research Area Dynamics and Topology (TopDyn) van JGU, dat wordt gefinancierd door de deelstaat Rijnland-Palts. Daarnaast werd het werk ook uitgevoerd onder de paraplu van het 3D MAGiC-project, dat werd gelanceerd in samenwerking met Forschungszentrum Jülich en de Radboud Universiteit Nijmegen in Nederland en dat een ERC Synergy Grant heeft ontvangen.

Om het artikel te citeren dat is gepubliceerd in Physical Review Applied: “Ons concept vertegenwoordigt een nieuw platform voor beeldvorming met een breed veld van de magnetisatie en de resulterende magnetische velden van magnetische structuren met behulp van speciaal ontwikkelde magnetische diamantsensoren en een optische opstelling die beide meetmodaliteiten mogelijk maakt.” Naast de twee werkgroepen van JGU en HIM, was ook professor Yannick Dumeige van de Université de Rennes 1 in Frankrijk betrokken, die als ontvanger van een Friedrich Wilhelm Bessel Research Award van de Alexander von Humboldt Foundation in 2018 ook samenwerkte met de Budker-groep. . Professor Kai-Mei Fu, natuurkundige aan de Universiteit van Washington, nam ook deel aan het project als HIM Distinguished Visitor.

Met het oog op de toekomst zijn de samenwerkingspartners van plan de nieuwe techniek te gebruiken om verschillende multidisciplinaire aspecten te analyseren die van bijzonder belang zijn voor de respectieve groepen. Deze omvatten onderzoek naar tweedimensionale magnetische materialen, de magnetische effecten van moleculaire chiraliteit en supergeleiding bij hoge temperaturen.