Ученые разработали новый метод визуализации магнитных наноструктур. Он обеспечивает разрешение около 70 нанометров, в то время как обычные оптические микроскопы достигают разрешения около 500 нанометров.
Экспериментальная установка / © Uni Halle / Marco Wamurth
Разрешение обычных оптических микроскопов ограничено длиной волны света, из-за чего объекты размером менее 500 нанометров остаются неразличимыми.
Методика, разработанная учеными из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (MLU) и Института физики микроструктур общества Макса Планка, Германия, преодолевает это ограничение. Физики использовали аномальный эффект Нернста (anomalous Nernst effect, ANE) и специальный наноразмерный металлический наконечник зонда микроскопа чтобы добиться высокого разрешения.
Аномальный эффект Нернста генерирует электрическое напряжение в магнитном материале, перпендикулярное магнетизации и градиенту температуры в образце. Исследователи решили, что это можно использовать.
Ученым пришлось создать одновременно нагрев как можно более маленького участка образца и электромагнитное поле в той же области. В этих условиях ANE генерирует напряжение, а уже его ученые измерили и, сопоставив все данные об исследуемой области, сформировали изображения.
«Мы смогли сфокусировать луч лазера на наконечнике кантилевера атомно-силового микроскопа, и таким образом создали температурный градиент на поверхности образца, ограниченный нанометровой областью. Металлический наконечник стал работать как антенна, фокусируя электромагнитное поле в крошечной области под своим кончиком», — объясняет профессор Георг Вольтерсдорф (Georg Woltersdorf).
Эта методика позволяет проводить измерения ANE с гораздо более высоким разрешением, чем это возможно при использовании традиционной оптической микроскопии. Исследовательская группа продемонстрировала изображения, полученные с помощью нового метода, с разрешением около 70 нанометров.
Предыдущие исследования изучали только магнитную поляризацию в плоскости образца. Однако, по словам исследовательской группы, температурный градиент в плоскости также имеет решающее значение и позволяет исследовать внеплоскостную поляризацию с помощью измерений ANE. Чтобы закрыть этот пробел и продемонстрировать надежность метода ANE для визуализации магнитных структур в нанометровом масштабе, исследователи использовали магнитную вихревую структуру.
Магнитный вихрь представляет собой конфигурацию магнитных моментов в материале, при которой направления намагниченности закручиваются вокруг центральной точки, формируя вихревое распределение.
Важное преимущество новой техники — ее можно использовать с хиральными антиферромагнитными материалами. Это особый класс магнитных материалов, у которых магнитные моменты атомов упорядочены антипараллельно, как в обычных антиферромагнетиках, но дополнительно проявляется хиральность — закрученность или асимметрия в их магнитной структуре. Хиральные антиферромагнетики активно изучаются для применения в спинтронике, квантовой электронике и сенсорике, поэтому ученым важно видеть объекты из этих материалов в деталях.
Работа опубликована в журнале ACS Nano.
