Magneto-thermische beeldvorming brengt synchrotron-mogelijkheden naar het laboratorium

Binnenkort beschikbaar op een laboratoriumtafel bij u in de buurt: een methode voor magneto-thermische beeldvorming die een resolutie op nanoschaal en picoseconde biedt die voorheen alleen beschikbaar was in synchrotron-faciliteiten.

Deze innovatie in ruimtelijke en temporele resolutie geeft onderzoekers een buitengewoon inzicht in de magnetische eigenschappen van een reeks materialen, van metalen tot isolatoren, allemaal vanuit het comfort van hun laboratoria, wat mogelijk de ontwikkeling van magnetische opslagapparaten stimuleert.

“Magnetische röntgenmicroscopie is een relatief zeldzame vogel”, zegt Greg Fuchs, universitair hoofddocent toegepaste en technische fysica, die het project leidde. “De magnetische microscopie die dit soort ruimtelijke en temporele resolutie kan doen, zijn er maar heel weinig. Normaal gesproken moet je ruimtelijk of temporeel kiezen. Je kunt ze niet allebei krijgen. Er zijn maar ongeveer vier of vijf plaatsen in de wereld die die mogelijkheid hebben. Dus de mogelijkheid om het op een tafelblad te doen, maakt spindynamiek op nanoschaal echt mogelijk voor onderzoek.”

Het artikel van zijn team, “Nanoscale Magnetization and Current Imaging Using Time-Resolved Scanning-Probe Magnetothermal Microscopy”, gepubliceerd op 8 juni in het tijdschrift van de American Chemical Society Nano-letters. De hoofdauteur is postdoctoraal onderzoeker Chi Zhang.

Het artikel is het hoogtepunt van een bijna 10-jarige inspanning van de Fuchs-groep om magnetische beeldvorming te onderzoeken met magneto-thermische microscopie. In plaats van een materiaal te beschieten met licht, elektronen of röntgenstralen, gebruiken de onderzoekers een laser die op de scansonde is gericht om warmte toe te passen op een microscopisch deel van een monster en de resulterende elektrische spanning te meten voor lokale magnetische informatie.

Fuch en zijn team pionierden met deze aanpak en hebben in de loop der jaren inzicht gekregen in hoe temperatuurgradiënten evolueren in tijd en ruimte.

“Je denkt aan warmte als een heel langzaam, diffuus proces,” zei Fuchs. “Maar in feite heeft diffusie op nanometer-lengteschalen picoseconde-tijden. En dat is een belangrijk inzicht. Dat is wat ons de tijdresolutie geeft. Licht is een golf en buigt. Het wil niet leven op deze zeer kleine lengteschalen Maar de hitte kan dat wel.”

De groep heeft de techniek eerder gebruikt om antiferromagnetische materialen af ​​te beelden en te manipuleren – die moeilijk te bestuderen zijn omdat ze geen magnetisch veld produceren – evenals magnetische metalen en isolatoren.

Hoewel het gemakkelijk genoeg is om een ​​laser scherp te stellen, was de belangrijkste hindernis het beperken van dat licht en het genereren van voldoende warmte op nanometerschaal om het proces te laten werken. En omdat sommige fenomenen op die schaal zo snel optreden, moet de beeldvorming even snel zijn.

“Er zijn veel situaties in magnetisme waar dingen wiebelen, en het is klein. En dit is eigenlijk wat je nodig hebt,” zei Fuchs.

Nu ze het proces hebben verfijnd en met succes een ruimtelijke resolutie van 100 nanometer en een temporele resolutie van minder dan 100 picoseconden hebben bereikt, kan het team de echte details van magnetisme verkennen, zoals skyrmionen, quasi-deeltjes waarin de magnetische orde is verdraaid. Het begrijpen van dit soort “spintexturen” zou kunnen leiden tot nieuwe high-speed, high-density magnetische opslag- en logische technologieën.

Naast magnetisme betekent de afhankelijkheid van de techniek van elektrische spanning dat deze kan worden gebruikt om de stroomdichtheid te meten wanneer de spanning in wisselwerking staat met een materiaal. Dit is een nieuwe benadering, aangezien andere beeldvormingstechnieken de stroom meten door het magnetische veld te meten dat de stroom produceert, niet de stroom zelf.

Magneto-thermische microscopie heeft beperkingen. Omdat monsters moeten worden geconfigureerd met elektrische contacten, moet het materiaal in een apparaat worden gemodelleerd. Als gevolg hiervan kan de techniek niet worden toegepast op bulkmonsters. Ook moeten het apparaat en de scansonde samen worden geschaald. Dus als je een fenomeen op nanoschaal wilt meten, moet het monster klein zijn.

Maar die beperkingen zijn klein vergeleken met de voordelen van een relatief goedkope vorm van magnetothermische microscopie in je eigen lab.

“Op dit moment moeten mensen naar een openbare faciliteit gaan, zoals een synchrotron-faciliteit, om dit soort metingen te doen,” zei Zhang. “Je schrijft een voorstel, je krijgt een straaltijd, en je hebt misschien een paar weken om te werken, op zijn best. Als je niet het gewenste resultaat hebt gekregen, dan is het misschien nog een paar maanden. Dus dit zal een vooruitgang zijn voor het veld.”