In collaborazione con i colleghi del Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden (IFW) e dell'Università di Glasgow, i fisici del centro di ricerca tedesco Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) stanno lavorando per produrre nanostrutture magnetiche ingegnerizzate e adattare le proprietà dei materiali su scala nanometrica. Gli scienziati utilizzano un microscopio speciale presso l'HZDR Ion Beam Center per raggiungere questo obiettivo. Il raggio ionico ultrasottile di questo microscopio è in grado di produrre nanomagneti disposti periodicamente in un materiale campione. Il dispositivo può essere utilizzato anche per ottimizzare le proprietà magnetiche dei nanotubi di carbonio. I ricercatori ora riportano i loro risultati in due articoli che sono stati pubblicati in Piccolo .

"La messa a punto magnetica dei materiali nella gamma dei nanometri offre un grande potenziale per la produzione di componenti elettronici all'avanguardia. Perseguiamo vari approcci per quanto riguarda le nostre nanostrutture magnetiche, tutto ciò comporta l'uso di fasci di ioni, " ha dichiarato i ricercatori HZDR Dr. Rantej Bali, Dott. Kilian Lenz e Dott. Gregor Hlawacek. Se, Per esempio, un fascio ionico è diretto su una lega ferro-alluminio non ferromagnetica, può spostare poche centinaia di atomi. Gli atomi nella lega quindi si riorganizzano, aumentando così il numero di atomi di ferro magnetici adiacenti. Di conseguenza si forma un magnete nelle vicinanze del luogo del bombardamento. Questo approccio ha consentito ai ricercatori di incidere localmente nanomagneti in pellicole sottili di un materiale originariamente non ferromagnetico.

Il disturbo induce l'incorporazione di nanomagneti

Nel loro ultimo lavoro, gli scienziati dell'HZDR dimostrano che il disturbo indotto dal fascio di ioni aumenta anche il volume della struttura reticolare sottostante, anche se non uniformemente in tutte le direzioni spaziali. La distorsione reticolare influenza anche il comportamento magnetico. Ad esempio, in una striscia magnetica allungata, ci si aspetta che la magnetizzazione si allinei lungo l'asse lungo, come avviene tipicamente in un magnete a barra convenzionale. Tuttavia, a causa della distorsione del reticolo nei nanomagneti incorporati, si osservano anche componenti di magnetizzazione trasversale. L'effetto finale è che i momenti magnetici tendono a "piegarsi" lontano dalla lunghezza del magnete in modo periodico. Questi stabili, domini magnetici periodici possono essere formati in modo affidabile anche in magneti curvi, e possono trovare applicazioni in sensori magnetici miniaturizzati, ad esempio.

Nel microscopio a ioni di elio HZDR, i fisici usavano gas nobili per produrre fasci di ioni estremamente sottili e quindi altamente precisi. "Il diametro del nostro fascio ionico è largo solo pochi atomi, " ha spiegato Gregor Hlawacek, che coordina gli esperimenti al microscopio a ioni di elio. "A seconda di quale gas nobile viene utilizzato, possiamo quindi modificare le proprietà del materiale irradiato o cambiarne la morfologia rimuovendo gli atomi." Nonostante il nome, il microscopio a ioni di elio non si limita solo all'uso dell'elio. Nei loro ultimi esperimenti, i ricercatori hanno usato neon, che è più pesante dell'elio, e quindi ha un impatto maggiore sul materiale da modificare. La cooperazione con l'Università di Glasgow ha inoltre consentito agli scienziati dell'HZDR di utilizzare il microscopio elettronico a trasmissione situato presso la sua cattedra di fisica dei materiali e della materia condensata.

Gli esperimenti di Rantej Bali prevedevano l'uso di un raggio ionico al neon come stilo di scrittura magnetica:"Il raggio ionico consente di produrre nanostrutture magnetiche in qualsiasi forma o forma, che sono incorporati nel materiale e definiti unicamente dalle loro proprietà magnetiche e cristallografiche, "dichiarò Bali, riassumendo i risultati delle sue precedenti ricerche, condotto presso l'HZDR nell'ambito di un progetto DFG.

Utilizzo di ioni neon per tagliare i materiali

Kilian Lenz, d'altra parte, utilizza il metodo della manipolazione mirata del fascio ionico per ottimizzare le proprietà del materiale desiderabili modificando la geometria della nanostruttura stessa. Il fascio di ioni al neon utilizzato ha un diametro di appena due nanometri. Sul luogo del bombardamento, irregolarità nel materiale, o semplicemente bordi materici, vengono rimossi in egual dimensione. "Esaminiamo questo utilizzando nanotubi di carbonio contenenti un nucleo di ferro magnetico quasi cilindrico. La struttura e la geometria di questi nanotubi possono essere ottimizzate tagliando nel microscopio a ioni di elio, "dichiarò Lenz, descrivendo il processo.

Un micromanipolatore viene utilizzato per separare un singolo tubo, con un diametro di 70 nanometri e una lunghezza di 10 micrometri, e per inserirlo in un microrisonatore per la misurazione. "È un processo estremamente elaborato che il team del Leibniz Institute for Solid State and Materials Research di Dresda ha sviluppato per noi, " ha spiegato Lenz. La combinazione unica di tagli che utilizzano il raggio ionico focalizzato e le misurazioni della risonanza ferromagnetica del nucleo di ferro consente ai ricercatori, guidato da Lenz, far luce su una struttura magnetica quasi perfetta per svelare le proprietà del nucleo di ferro nel nanotubo.

Tali metodi per la manipolazione mirata delle proprietà dei materiali nanomagnetici utilizzando fasci di ioni focalizzati continueranno ad essere esplorati in futuro presso l'Istituto di fisica dei fasci di ioni e ricerca sui materiali dell'HZDR. Gli scienziati ritengono che il loro metodo ei materiali ottimizzati che produce abbiano il potenziale per ottenere progressi nelle applicazioni spintroniche e nella fabbricazione di dispositivi di rilevamento innovativi o supporti di memorizzazione.