I fisici dell'Università dell'Iowa hanno proposto una nuova tecnica per rilevare e misurare materiali che emettono segnali magnetici deboli o che non hanno alcun campo magnetico. La loro soluzione utilizzerebbe una sonda non invasiva per indurre una risposta magnetica nel materiale studiato e quindi rilevare come tale risposta modifica il campo magnetico della sonda.

La tecnica ha molte potenziali applicazioni nel mondo reale, compresa la produzione di macchine per la risonanza magnetica (MRI) più sensibili, sviluppo di memorie ad alta velocità nell'industria dei semiconduttori, e la produzione di unità di elaborazione del computer (CPU) più efficienti.

"Questo approccio è progettato per misurare la situazione in cui se non avessi la sonda nelle vicinanze, non vedresti niente. Non ci sarebbero affatto campi magnetici, "dice Michael Flatté, professore di fisica e astronomia e autore senior dell'articolo pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica . "È solo la sonda stessa che sta causando la presenza dei campi magnetici".

La sonda lo fa creando "momenti magnetici" in materiali che altrimenti emetterebbero un debole campo magnetico o non avrebbero alcun campo magnetico. I momenti magnetici si verificano quando un gruppo di elettroni si orienta nella stessa direzione, proprio come minuscoli aghi di bussola tutti puntati, dire, nord. Questo orientamento uniforme crea un minuscolo campo magnetico. Ferro da stiro, Per esempio, produce una risposta forte perché la maggior parte dei suoi elettroni si orienta nella stessa direzione quando incontra una forza magnetica.

Tutto ciò che serve per la sonda, che ha un diametro di pochi nanometri, creare un momento magnetico significa che due dei suoi sei elettroni si agganciano allo stesso orientamento direzionale. Quando ciò accade, la sonda stimola abbastanza elettroni in materiali con campi magnetici deboli o inesistenti per riorientarsi, creando un momento magnetico nel materiale, o appena sufficiente, che la sonda può rilevare. Il modo in cui il momento magnetico del materiale influenza il campo magnetico della sonda è misurabile, che offre ai ricercatori i mezzi per calcolare le dimensioni fisiche del materiale, come il suo spessore.

"Questi elettroni (in materiali con campi magnetici deboli o inesistenti) hanno il loro campo che agisce indietro sulla sonda e distorce la sonda (in un modo) che puoi quindi misurare, "dice Flatté, direttore del Centro di tecnologia della scienza ottica dell'interfaccia utente.

Questo diventa importante quando si cerca di catturare le dimensioni degli strati magnetici che sono sepolti o racchiusi tra strati non magnetici. Tali situazioni si verificano quando si lavora con i semiconduttori e aumenteranno con l'avanzare dell'elaborazione del computer.

"Calcoliamo la risposta magnetica, e da questo sapremmo dove finiscono i campi magnetici e quindi conosceremo lo spessore dello strato, "dice Flatte.

Il concetto si basa su un approccio di campionamento emergente chiamato magnetometria del centro di vacanza dell'azoto. Questa tecnica, che si basa su un difetto introdotto nella struttura cristallina di un diamante (sottomissione di un atomo di azoto per due atomi di carbonio), è efficace in parte perché la sonda che utilizza (come la sonda UI proposta) è in diamante, che crea piccoli momenti magnetici fondamentali per rilevare i campi magnetici nei materiali studiati.

Ma c'è un inconveniente:la magnetometria del centro vacante di azoto funziona solo con materiali magnetizzati. Questo esclude i superconduttori, dove il campo magnetico cessa di esistere a determinate temperature, e molti altri materiali. La soluzione proposta da Flatté e dal coautore Joost van Bree aggira questo problema utilizzando la sonda per creare un campo magnetico che costringe i materiali con campi magnetici deboli o inesistenti a reagire ad esso.

"Se applichi un campo magnetico a un superconduttore, tenterà di cancellare quel campo magnetico ad esso applicato, " dice Flatté. "Anche se lo fa, crea un campo magnetico esterno a se stesso che poi colpisce i centri di spin. Questo è ciò che poi può essere rilevato".