Kombineret teknik ved hjælp af diamantprober muliggør nanoskala-billeddannelse af magnetiske hvirvelstrukturer

At opnå en præcis forståelse af magnetiske strukturer er et af hovedformålene med faststoffysik. Der udføres i øjeblikket betydelig forskning på dette område, Målet er at udvikle fremtidige databehandlingsapplikationer, der bruger små magnetiske strukturer som informationsbærere. Fysikere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) og Helmholtz Institute Mainz (HIM) præsenterede for nylig en ny metode til at undersøge magnetiske strukturer, der kombinerer to forskellige teknikker. Dette gør det muligt at måle og kortlægge magnetiseringen såvel som de magnetiske felter af prøven. Involveret i projektet var atomfysikere fra arbejdsgruppen ledet af professor Dmitry Budker og holdet af eksperimentelle faststoffysikere ledet af professor Mathias Kläui. Resultaterne er offentliggjort i Fysisk gennemgang anvendt .

"I dette projekt kombinerede vi to kvanteregistreringsteknikker, som aldrig før var blevet brugt sammen til at analysere en prøve, " forklarede Till Lenz, artiklens førsteforfatter og ph.d.-kandidat i Budkers gruppe. En velkendt metode, der anvendes i faststoffysik, bruger den magneto-optiske Kerr-effekt (MOKE) til at detektere magnetiske felter og magnetisering. "Men dette giver os kun en begrænset mængde information, " sagde Lenz. Af denne grund, forskerne besluttede at kombinere Kerr-effekten med magnetometrimetoder, der udnytter såkaldte diamantfarvecentre for også at muliggøre kortlægning af magnetfelter. "Vi håber, at dette vil føre til ny indsigt, når det kommer til faststoffysik og ferromagnetiske strukturer, " sagde Georgios Chatzidrosos, også ph.d.-studerende i Budker-gruppen. Professor Mathias Kläui er begejstret for de nye målemuligheder:"Brugen af ​​diamantsonder giver en følsomhed, der åbner op for helt nye muligheder med hensyn til målepotentialer."

Nye kombinerede målemetoder kan bruges i en lang række forskellige omgivende forhold

Diamant er ikke kun en ædelsten, men bruges også til at lave skære- og slibeværktøjer. Specifikke defekter i diamantkrystalgitteret resulterer i egenskaber, der kan bruges til at undersøge magnetiske strukturer. Disse farvecentre, også kendt som nitrogen-fritidscentre, er punktdefekter i diamantens kulstofgitterstruktur. Forskergruppen ledet af professor Dmitry Budker bruger disse farvecentre i diamant som sonder til at måle magnetiske fænomener.

Diamantbaserede magnetometre kan fungere ved meget lave temperaturer såvel som ved temperaturer over stuetemperatur, mens de nødvendige afstande mellem prøve og sonde kan være minimale, i området på blot nogle få nanometer. "Vi har et tyndt lag af nitrogen-defekter i en diamantkrystal, og med dette kan vi kortlægge magnetiske strukturer og tage billeder af magnetfelter, " forklarede Dr. Arne Wickenbrock fra Budker-gruppen. Og medforfatter Dr. Lykourgos Bougas tilføjede:"Ved at kortlægge alle komponenterne i et magnetfelt, vi kan supplere og udvide de muligheder, som magneto-optiske målinger giver."

"Sonden, der fungerer ved hjælp af diamantfarvecentre, er meget mere følsom end konventionelle værktøjer og giver os ekstremt gode resultater. Vi er i stand til at få adgang til nogle fascinerende prøver, hvilket resulterer i unikke muligheder for samarbejde, " understregede professor Mathias Kläui, beskriver fordelen ved samarbejdet mellem de to forskergrupper. "Kombinering af vores komplementære måleteknikker muliggør fuldstændig rekonstruktion af de magnetiske egenskaber af vores prøver." Den nyligt publicerede artikel er et produkt af teamwork inden for Dynamics and Topology (TopDyn) Top-level Research Area på JGU, som er finansieret af delstaten Rheinland-Pfalz. Ud over, arbejdet blev også udført under paraplyen af ​​3D MAGiC-projektet, som blev lanceret i samarbejde med Forschungszentrum Jülich og Radboud University Nijmegen i Holland og er blevet tildelt et ERC Synergy Grant.

For at citere papiret offentliggjort i Physical Review Applied:"Vores koncept repræsenterer en ny platform til bredfeltsbilleddannelse af magnetiseringen og de resulterende magnetiske felter af magnetiske strukturer ved hjælp af konstruerede magnetiske diamantsensorer og en optisk opsætning, der giver mulighed for begge målemodaliteter." Ud over de to JGU og HIM arbejdsgrupper, også involveret var professor Yannick Dumeige fra Université de Rennes 1 i Frankrig, der som modtager af en Friedrich Wilhelm Bessel Research Award fra Alexander von Humboldt Fonden i 2018 også arbejdede med Budker-gruppen. Professor Kai-Mei Fu, fysiker ved University of Washington, deltog også i projektet som HIM Distinguished Visitor.

Ser på fremtiden, samarbejdspartnerne planlægger at anvende den nye teknik til at analysere forskellige tværfaglige aspekter, som er af særlig interesse for de respektive grupper. Disse omfatter undersøgelse af todimensionelle magnetiske materialer, de magnetiske virkninger af molekylær chiralitet, og superledning ved høj temperatur.