Natuurkundigen ontwikkelen een nieuwe methode om magnetische nanostructuren met hoge resolutie te visualiseren

Met een nieuwe methode kunnen onderzoekers magnetische nanostructuren met een hoge resolutie analyseren. Het werd ontwikkeld door onderzoekers van de Martin Luther Universiteit Halle-Wittenberg (MLU) en het Max Planck Instituut voor Microstructuurfysica in Halle.

De nieuwe methode bereikt een resolutie van ongeveer 70 nanometer, terwijl normale lichtmicroscopen een resolutie van slechts 500 nanometer hebben. Dit resultaat is belangrijk voor de ontwikkeling van nieuwe, energiezuinige opslagtechnologieën op basis van spin-elektronica. Het team rapporten over haar onderzoek in het huidige nummer van het tijdschrift ACS Nano.

Normale optische microscopen worden beperkt door de golflengte van licht en details onder de 500 nanometer kunnen niet worden opgelost. De nieuwe methode overwint deze limiet door gebruik te maken van het afwijkende Nernst-effect (ANE) en een metalen tip op nanoschaal. ANE genereert een elektrische spanning in een magnetisch metaal dat loodrecht staat op de magnetisatie en een temperatuurgradiënt.

“Een laserstraal concentreert zich op de punt van een krachtmicroscoop en veroorzaakt zo een temperatuurgradiënt op het oppervlak van het monster die ruimtelijk beperkt is tot de nanoschaal”, zegt professor Georg Woltersdorf van het Institute of Physics van MLU. “De metalen punt fungeert als een antenne en concentreert het elektromagnetische veld in een klein gebied onder de top.”

Hierdoor zijn ANE-metingen mogelijk met een veel betere resolutie dan conventionele lichtmicroscopie mogelijk maakt. De microscopische beelden die het onderzoeksteam publiceert, bereiken een resolutie van ongeveer 70 nanometer.

Eerdere studies hebben alleen de magnetische polarisatie in het monstervlak onderzocht. Volgens het onderzoeksteam is de temperatuurgradiënt in het vlak echter ook cruciaal en maakt het mogelijk om de polarisatie buiten het vlak te onderzoeken met behulp van ANE-metingen. Om deze kloof te dichten en de betrouwbaarheid van de ANE-methode voor het visualiseren van magnetische structuren op nanometerschaal aan te tonen, gebruikten de onderzoekers een magnetische vortexstructuur.

Een bijzonder voordeel van de nieuwe techniek is dat deze ook werkt met chirale antiferromagnetische materialen.

“Onze bevindingen zijn belangrijk voor de thermo-elektrische beeldvorming van spintronische componenten. We hebben dit al aangetoond met chirale antiferromagneten”, zegt Woltersdorf.

“Onze methode heeft twee voordelen: aan de ene kant hebben we de ruimtelijke resolutie van magnetische structuren aanzienlijk verbeterd, veel verder dan de mogelijkheden van optische methoden. Ten tweede kan het ook worden toegepast op chirale antiferromagnetische systemen, wat direct ten goede zal komen aan onze geplande Cluster of Excellence Centrum voor Chirale Elektronica.”