Badanie struktur magnetycznych za pomocą przyrządów wykorzystujących diamenty
Naukowcy nie bez powodu badają zachowanie spinów i ładunków w układach magnetycznych. Doprowadzi to do opracowania szybszych, mniejszych i bardziej efektywnych energetycznie technologii magnetycznych. Istnieje wiele technik umożliwiających badanie struktur magnetycznych, ale większość z nich ma wady, które ograniczają ich użycie. Jedną z wysoce czułych technologii, charakteryzujących się wszechstronnym sposobem badania układów magnetycznych jest magnetometria oparta na spinie elektronowym defektów typu azot-wakancja (N-V) w diamencie. Magnetometry wykorzystujące diamenty mogą pracować w zakresie temperatur od kriogenicznej do wyższej niż pokojowa, mają dynamiczny zakres częstotliwości – od prądu stałego do zakresu gigahercowego i działają przy nanometrowych odległościach między czujnikiem a próbką. Magnetometria oparta na N-V umożliwia naukowcom badanie statycznych i dynamicznych zjawisk magnetycznych i elektronicznych w rozdzielczości przestrzennej skali nano. Wykorzystując tę technologię, międzynarodowy zespół naukowców przedstawił sposób obrazowania, który umożliwia wykrywanie zarówno namagnesowania, jak i generowanych przez nie rozproszonych pól magnetycznych. Jest to szerokopasmowe obrazowanie magnetyczne połączone z możliwościami detekcji magnetooptycznej. Zespół, wspierany przez finansowane ze środków UE projekty ASTERIQS i 3D MAGiC, wykorzystał ten system do zobrazowania paskowych domen magnetycznych w wielowarstwowych strukturach ferromagnetycznych. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Physical Review Applied”. Badaniami kierował Dmitrij Budker, fizyk z Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Moguncji, który kierował także finansowanym ze środków UE projektem Dark-OsT, również wykorzystującym magnetometrię, ale w celu znalezienia sygnatur ciemnego sektora. Jak piszą autorzy w opracowaniu, system obrazowania stosowany w obecnych badaniach „składa się z mikroskopu epifluorescencyjnego wrażliwego na polaryzację, który zawiera czujnik diamentowy i wykorzystuje promieniowanie wymagane do pomiarów magnetometrycznych do wykonywania pomiarów magnetooptycznego zjawiska Kerra (ang. magneto-optic Kerr effect, MOKE)”. „Taki przyrząd pozwala na połączone wykrywanie namagnesowania i generowanych przez nie rozproszonych pól magnetycznych przy jednoczesnej możliwości działania w szerokim zakresie temperatur i niepodatności na zakłócenia magnetyczne, co sprawia, że jest idealnym narzędziem do badania struktur magnetycznych i ich dynamiki w szerokim zakresie warunków środowiskowych”, wyjaśniają dalej. Dzięki pomiarom MOKE możliwe jest pośrednie wykrywanie momentów magnetycznych poprzez zmiany polaryzacji światła odbitego od powierzchni magnetycznej. Sygnał polaryzacji jest następnie przeliczany na magnetyzację przy użyciu stałej Kerra dla danego ośrodka.
Udoskonalanie obecnych metod
Naukowcy pokazali, w jaki sposób dzięki analizie polaryzacji addytywnej można zebrać więcej informacji o namagnesowaniu próbki. Udało się im także rozszerzyć najnowsze techniki obrazowania magnetycznego N-V wykorzystywane do badania układów magnetycznych. „Możliwe rozszerzenia obecnej konfiguracji eksperymentalnej są wykonalne zarówno dla części obrazowych opartych na MOKE, jak i N-V”, twierdzą autorzy. „Na przykład obrazowanie oparte na N-V może zostać rozszerzone na tryb zerowego pola (…) lub nawet obsługiwane w trybie wolnym [od mikrofal]. Ponadto (…) konfigurację (…) można rozszerzyć na pomiary wzdłużnego i poprzecznego MOKE, tj. pomiary magnetyzacji w płaszczyźnie poprzez oświetlenie próbki pod kątem. (…) Co najważniejsze, oświetlenie kątowe umożliwia rzeczywiste jednoczesne otrzymywanie obrazów N-V i MOKE, ponieważ wykrywanie odbitej wiązki i fluorescencji obecnie odbywa się w różnych częściach aparatu (niezależnie od ich dróg optycznych)”. Prace zespołu mogą prowadzić do nowych spostrzeżeń dotyczących fizyki materii skondensowanej i struktur ferromagnetycznych. Projekty ASTERIQS (Advancing Science and TEchnology thRough dIamond Quantum Sensing) i Dark-OsT (Experimental Searches for Oscillating and Transient effects from the Dark Sector) zakończą się w 2021 roku. Projekt 3D MAGiC (Three-dimensional magnetization textures: Discovery and control on the nanoscale) będzie trwać do czerwca 2026 roku. Więcej informacji: strona projektu ASTERIQS projekt 3D MAGiC projekt Dark-OsT
Słowa kluczowe
ASTERIQS, 3D MAGiC, Dark-OsT, magnetyczne, N-V, azot-wakancja, diament, magnetometria