Magneto-termisk billeddannelse bringer synkrotronkapaciteter til laboratoriet

Kommer snart til en laboratoriebordplade nær dig:en metode til magneto-termisk billeddannelse, der tilbyder nanoskala og picosecond-opløsning, som tidligere kun var tilgængelig i synkrotronfaciliteter.

Denne innovation inden for rumlig og tidsmæssig opløsning vil give forskerne ekstraordinære indblik i de magnetiske egenskaber af en række materialer, fra metaller til isolatorer, alt sammen fra komforten af ​​deres laboratorier, potentielt fremme udviklingen af ​​magnetiske lagringsenheder.

"Magnetisk røntgenmikroskopi er en relativt sjælden fugl, " sagde Greg Fuchs, lektor i anvendt og teknisk fysik, der ledede projektet. "De magnetiske mikroskopier, der kan udføre denne form for rumlig og tidsmæssig opløsning, er meget få og langt imellem. Normalt, du skal vælge enten rumlig eller tidsmæssig. Du kan ikke få dem begge. Der er kun omkring fire eller fem steder i verden, der har den evne. Så det at have evnen til at gøre det på en bordplade, muliggør virkelig spindynamik på nanoskala til forskning."

Hans holds papir, "Nanoskala magnetisering og aktuel billeddannelse ved hjælp af tidsopløst scanning-probe magnetotermisk mikroskopi, " offentliggjort den 8. juni i American Chemical Societys tidsskrift Nano bogstaver . Hovedforfatteren er postdoc-forsker Chi Zhang.

Artiklen er kulminationen på en næsten 10-årig indsats fra Fuchs-gruppen for at udforske magnetisk billeddannelse med magneto-termisk mikroskopi. I stedet for at sprænge et materiale med lys, elektroner eller røntgenstråler, forskerne bruger en laser fokuseret på scanningssonden til at påføre varme til et mikroskopisk skår af en prøve og måle den resulterende elektriske spænding for lokal magnetisk information.

Fuchs og hans team var banebrydende for denne tilgang og har gennem årene udviklet en forståelse af, hvordan temperaturgradienter udvikler sig i tid og rum.

"Du tænker på varme som en meget langsom, diffusiv proces, " sagde Fuchs. "Men faktisk, diffusion på nanometer længde skalaer har picosekunder gange. Og det er en nøgleindsigt. Det er det, der giver os tidsopløsningen. Lys er en bølge og diffrakterer. Den ønsker ikke at leve nede ved disse meget små længdeskalaer. Men varmen kan."

Gruppen har tidligere brugt teknikken til at afbilde og manipulere antiferromagnetiske materialer - som er svære at studere, fordi de ikke producerer et magnetfelt - såvel som magnetiske metaller og isolatorer.

Selvom det er nemt nok at fokusere en laser, den største forhindring har været at begrænse det lys og generere nok varme på nanometerskala til at få processen til at fungere. Og fordi nogle fænomener i den skala opstår så hurtigt, billeddannelsen skal være lige så hurtig.

"Der er mange situationer i magnetisme, hvor ting vrikker, og den er lille. Og det er dybest set, hvad du har brug for, " sagde Fuchs.

Nu hvor de har forfinet processen og med succes opnået en rumlig opløsning på 100 nanometer og en tidsmæssig opløsning under 100 picosekunder, holdet kan udforske magnetismens virkelige detaljer, såsom skyrmioner, kvasipartikler, hvori den magnetiske orden er snoet. At forstå disse former for "spin-teksturer" kan føre til ny højhastighed, højdensitetsmagnetisk lagring og logikteknologier.

Ud over magnetisme, Teknikkens afhængighed af elektrisk spænding betyder, at den kan bruges til at måle strømtæthed, når spændingen interagerer med et materiale. Dette er en ny tilgang, da andre billeddannelsesteknikker måler strøm ved at måle det magnetiske felt, som strømmen producerer, ikke selve strømmen.

Magnetotermisk mikroskopi har begrænsninger. Fordi prøver skal konfigureres med elektriske kontakter, materialet skal mønstres til en enhed. Som resultat, teknikken kan ikke anvendes på bulkprøver. Også, enheden og scanningssonden skal skaleres sammen. Så hvis du vil måle et fænomen på nanoskala, prøven skal være lille.

Men disse begrænsninger er små sammenlignet med fordelene ved en relativt billig form for magneto-termisk mikroskopi i dit eget laboratorium.

"Lige nu, folk skal gå til et offentligt anlæg, som en synkrotron-facilitet, til at udføre disse typer målinger, " sagde Zhang. "Du skriver et forslag, du får en stråletid, og du har måske et par uger til at arbejde, i bedste fald. Hvis du ikke fik det ønskede resultat, så er det måske endnu et par måneder. Så dette vil være fremskridt for feltet."