Esplorare le strutture magnetiche con strumenti basati sul diamante
C’è un motivo per cui gli scienziati stanno studiando il comportamento degli spin e delle cariche nei sistemi magnetici. La comprensione del funzionamento di queste proprietà porterà infatti alla creazione di tecnologie magnetiche più veloci, più piccole e più efficienti dal punto di vista energetico. Esistono diverse tecniche valide per studiare le strutture magnetiche, ma la maggior parte di esse ha degli svantaggi che ne limitano l’efficacia. Una tecnologia che sta emergendo come una modalità estremamente sensibile e versatile per studiare i sistemi magnetici è la magnetometria basata sullo spin elettronico dei difetti azoto-vacanza (N-V) nel diamante. I magnetometri basati sul diamante funzionano dalla temperatura criogenica a valori superiori alla temperatura ambiente, hanno una gamma dinamica che va dalla corrente continua al gigahertz e consentono distanze sensore-campione di dimensioni nanometriche. La magnetometria basata su N-V permette quindi agli scienziati di studiare fenomeni magnetici ed elettronici statici e dinamici con una risoluzione spaziale su scala nanometrica. Utilizzando questa tecnologia, un gruppo internazionale di ricercatori ha presentato una modalità di imaging che consente di rilevare sia la magnetizzazione che i campi magnetici di dispersione risultanti. La modalità in questione è l’imaging magnetico ad ampio campo con capacità di rilevamento magneto-ottico combinate. Sostenuto dai progetti ASTERIQS e 3D MAGiC, finanziati dall’UE, il gruppo di ricerca ha utilizzato questo sistema per l’imaging di domini di bande magnetiche in strutture ferromagnetiche multistrato. I risultati sono stati pubblicati nella rivista «Physical Review Applied». La ricerca è stata condotta da Dmitry Budker, fisico dell’Università Johannes Gutenberg di Mainz che ha diretto anche Dark-OsT, un altro progetto finanziato dall’UE che ha usato la magnetometria, ma questa volta per trovare tracce del settore oscuro. Il sistema di imaging utilizzato nell’attuale ricerca «consiste in un microscopio a epifluorescenza sensibile alla polarizzazione che incorpora un sensore di diamante e sfrutta la radiazione necessaria per le misure magnetometriche per eseguire misure MOKE (magneto-optic Kerr effect, effetto Kerr magneto-ottico)», scrivono gli autori nello studio. «Un tale strumento», spiegano, «permette la rilevazione combinata della magnetizzazione e dei campi magnetici di dispersione risultanti pur essendo magneticamente non-perturbativo e utilizzabile in un ampio intervallo di temperature, rivelandosi dunque uno strumento ideale per lo studio delle strutture magnetiche e delle loro dinamiche in una vasta gamma di condizioni ambientali». Le misure MOKE permettono di rilevare i momenti magnetici indirettamente, attraverso i cambiamenti nella polarizzazione della luce quando viene riflessa da una superficie magnetica. Il segnale di polarizzazione viene poi tradotto in magnetizzazione usando la costante di Kerr del materiale.
Ampliare le tecniche attuali
Dimostrando come l’aggiunta dell’analisi di polarizzazione può integrare anche informazioni sulla magnetizzazione del campione, i ricercatori sono riusciti ad ampliare le recenti tecniche di imaging magnetico N-V utilizzate per studiare i sistemi magnetici. «Eventuali estensioni dell’attuale configurazione sperimentale sono possibili per le parti di imaging basate su MOKE e quelle su N-V», osservano gli autori. «L’imaging basato su N-V, per esempio, può essere esteso al regime di campo zero […] o anche essere utilizzato in una modalità senza [microonde]. Inoltre, […] la configurazione […] può essere estesa a misure MOKE longitudinali e trasversali, cioè la misura di magnetizzazioni “in-plane”, illuminando il campione in un angolo. […] Ma soprattutto, l’illuminazione angolata permette l’acquisizione davvero simultanea di immagini N-V e MOKE, poiché il fascio riflesso e la fluorescenza vengono ora rilevati in aree diverse della fotocamera (o acquisiti indipendentemente dai loro rispettivi percorsi ottici)». Questo lavoro potrebbe portare a nuove scoperte nella fisica della materia condensata e nelle strutture ferromagnetiche. ASTERIQS (Advancing Science and TEchnology thRough dIamond Quantum Sensing) e Dark-OsT (Experimental Searches for Oscillating and Transient effects from the Dark Sector) terminano nel 2021. 3D MAGiC (Three-dimensional magnetization textures: Discovery and control on the nanoscale) prosegue fino a giugno 2026. Per maggiori informazioni, consultare: sito web del progetto ASTERIQS progetto 3D MAGiC progetto Dark-OsT
Parole chiave
ASTERIQS, 3D MAGiC, Dark-OsT, magnetico, N-V, azoto-vacanza, diamante, magnetometria