Ottenere una comprensione precisa delle strutture magnetiche è uno dei principali obiettivi della fisica dello stato solido. Attualmente sono in corso importanti ricerche in questo campo, l'obiettivo è sviluppare future applicazioni di elaborazione dati che utilizzino minuscole strutture magnetiche come vettori di informazioni. I fisici della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e dell'Helmholtz Institute Mainz (HIM) hanno recentemente presentato un nuovo metodo per studiare le strutture magnetiche che combina due diverse tecniche. Ciò consente di misurare e mappare la magnetizzazione e i campi magnetici del campione. Nel progetto sono stati coinvolti fisici atomici del gruppo di lavoro guidato dal professor Dmitry Budker e il team di fisici sperimentali dello stato solido guidato dal professor Mathias Kläui. I risultati sono stati pubblicati in Revisione fisica applicata .

"In questo progetto abbiamo combinato due tecniche di rilevamento quantistico che non erano mai state utilizzate insieme per analizzare un campione, " ha spiegato Till Lenz, primo autore dell'articolo e dottorando nel gruppo di Budker. Un noto metodo impiegato nella fisica dello stato solido utilizza l'effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) per rilevare i campi magnetici e la magnetizzazione. "Ma questo ci fornisce solo una quantità limitata di informazioni, " disse Lenz. Per questo motivo, i ricercatori hanno deciso di combinare l'effetto Kerr con metodi di magnetometria che utilizzano i cosiddetti centri di colore del diamante per consentire anche la mappatura dei campi magnetici. "Speriamo che questo porti a nuove intuizioni quando si tratta di fisica dello stato solido e strutture ferromagnetiche, " ha dichiarato Georgios Chatzidrosos, anche uno studente di dottorato nel gruppo Budker. Il professor Mathias Kläui è entusiasta delle nuove capacità di misurazione:"L'uso di sonde diamantate fornisce una sensibilità che apre opzioni completamente nuove per quanto riguarda i potenziali di misurazione".

Nuovi metodi di misurazione combinati possono essere utilizzati in un'ampia gamma di diverse condizioni ambientali

Il diamante non è solo una pietra preziosa, ma viene anche utilizzato per realizzare utensili da taglio e molatura. Difetti specifici nel reticolo cristallino del diamante danno luogo a proprietà che possono essere utilizzate per esaminare le strutture magnetiche. Questi centri di colore, noto anche come azoto-vacancy center, sono difetti puntuali nella struttura reticolare di carbonio del diamante. Il gruppo di ricerca guidato dal professor Dmitry Budker utilizza questi centri di colore nel diamante come sonde per misurare i fenomeni magnetici.

I magnetometri a base di diamante possono funzionare a temperature molto basse e anche a temperature superiori alla temperatura ambiente, mentre le distanze richieste tra campione e sonda possono essere minuscole, nel raggio di pochi nanometri. "Abbiamo un sottile strato di difetti di azoto in un cristallo di diamante e con questo possiamo mappare strutture magnetiche e scattare foto di campi magnetici, " ha spiegato il Dr. Arne Wickenbrock del gruppo Budker. E il co-autore Dr. Lykourgos Bougas ha aggiunto:"Mappando tutti i componenti di un campo magnetico, possiamo completare ed estendere le possibilità offerte dalle misurazioni magneto-ottiche."

"La sonda che funziona con l'aiuto dei centri di colore del diamante è molto più sensibile degli strumenti convenzionali e ci fornisce risultati estremamente buoni. Siamo in grado di accedere ad alcuni campioni affascinanti, che si traduce in opportunità uniche di cooperazione, " ha sottolineato il professor Mathias Kläui, descrivendo il vantaggio della collaborazione tra i due gruppi di ricerca. "La combinazione delle nostre tecniche di misurazione complementari consente la ricostruzione completa delle proprietà magnetiche dei nostri campioni". L'articolo pubblicato di recente è il prodotto del lavoro di squadra all'interno dell'area di ricerca di primo livello Dynamics and Topology (TopDyn) presso JGU, che è finanziato dallo stato della Renania-Palatinato. Inoltre, il lavoro è stato svolto anche nell'ambito del progetto 3D MAGiC, che è stato lanciato in collaborazione con Forschungszentrum Jülich e Radboud University Nijmegen nei Paesi Bassi ed è stato premiato con un ERC Synergy Grant.

Per citare l'articolo pubblicato su Physical Review Applied:"Il nostro concetto rappresenta una nuova piattaforma per l'imaging ad ampio campo della magnetizzazione e dei campi magnetici risultanti delle strutture magnetiche utilizzando sensori magnetici a diamante ingegnerizzati e una configurazione ottica che consente entrambe le modalità di misurazione". Oltre ai due gruppi di lavoro JGU e HIM, coinvolto anche il professor Yannick Dumeige dell'Université de Rennes 1 in Francia, che come destinatario di un Friedrich Wilhelm Bessel Research Award della Fondazione Alexander von Humboldt nel 2018 ha anche lavorato con il gruppo Budker. Professor Kai-Mei Fu, fisico all'Università di Washington, ha anche partecipato al progetto come Distinguished Visitor HIM.

Guardando al futuro, i partner della cooperazione intendono utilizzare la nuova tecnica per analizzare vari aspetti multidisciplinari che sono di particolare interesse per i rispettivi gruppi. Questi includono lo studio di materiali magnetici bidimensionali, gli effetti magnetici della chiralità molecolare, e superconduttività ad alta temperatura.