Prossimamente in un laboratorio vicino a te:un metodo di imaging magnetotermico che offre risoluzioni su nanoscala e picosecondi precedentemente disponibili solo nelle strutture di sincrotrone.

Questa innovazione nella risoluzione spaziale e temporale offrirà ai ricercatori una visione straordinaria delle proprietà magnetiche di una vasta gamma di materiali, dai metalli agli isolanti, il tutto comodamente dai loro laboratori, potenziando potenzialmente lo sviluppo di dispositivi di memorizzazione magnetici.

"La microscopia a raggi X magnetica è un uccello relativamente raro, " ha detto Greg Fuchs, professore associato di fisica applicata e ingegneria, che ha guidato il progetto. "Le microscopie magnetiche che possono fare questo tipo di risoluzione spaziale e temporale sono molto poche e lontane tra loro. Normalmente, devi scegliere spaziale o temporale. Non puoi averli entrambi. Ci sono solo quattro o cinque posti nel mondo che hanno questa capacità. Quindi avere la possibilità di farlo su un tavolo consente davvero la dinamica di spin su scala nanometrica per la ricerca".

La carta della sua squadra, "Magnetismo su nanoscala e imaging della corrente mediante microscopia magnetotermica con sonda a scansione risolta nel tempo, " pubblicato l'8 giugno sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere . L'autore principale è il ricercatore post-dottorato Chi Zhang.

Il documento è il culmine di uno sforzo di quasi 10 anni del gruppo Fuchs per esplorare l'imaging magnetico con la microscopia magnetotermica. Invece di far saltare un materiale con la luce, elettroni o raggi X, i ricercatori usano un laser focalizzato sulla sonda di scansione per applicare calore a una striscia microscopica di un campione e misurare la tensione elettrica risultante per le informazioni magnetiche locali.

Fuchs e il suo team hanno aperto la strada a questo approccio e nel corso degli anni hanno sviluppato una comprensione di come si evolvono i gradienti di temperatura nel tempo e nello spazio.

"Pensi che il calore sia molto lento, processo diffusivo, " Disse Fuchs. "Ma in effetti, la diffusione su scale di lunghezza nanometrica ha tempi di picosecondi. E questa è un'intuizione chiave. Questo è ciò che ci dà la risoluzione temporale. La luce è un'onda e diffrange. Non vuole vivere su queste scale di lunghezza molto piccole. Ma il caldo può".

Il gruppo ha precedentemente utilizzato la tecnica per visualizzare e manipolare materiali antiferromagnetici, difficili da studiare perché non producono un campo magnetico, nonché metalli magnetici e isolanti.

Sebbene sia abbastanza facile mettere a fuoco un laser, l'ostacolo maggiore è stato confinare quella luce e generare abbastanza calore su scala nanometrica per far funzionare il processo. E poiché alcuni fenomeni di quella scala si verificano così rapidamente, l'imaging deve essere altrettanto veloce.

"Ci sono molte situazioni nel magnetismo in cui le cose si dimenano, ed è piccolo. E questo è fondamentalmente ciò di cui hai bisogno, " disse Fuch.

Ora che hanno perfezionato il processo e raggiunto con successo una risoluzione spaziale di 100 nanometri e una risoluzione temporale inferiore a 100 picosecondi, il team può esplorare le vere minuzie del magnetismo, come skyrmions, quasi-particelle in cui l'ordine magnetico è distorto. Comprendere questo tipo di "texture di rotazione" potrebbe portare a nuove velocità, tecnologie logiche e di memorizzazione magnetica ad alta densità.

Oltre al magnetismo, la dipendenza della tecnica dalla tensione elettrica significa che può essere utilizzata per misurare la densità di corrente quando la tensione interagisce con un materiale. Questo è un approccio nuovo, poiché altre tecniche di imaging misurano la corrente misurando il campo magnetico prodotto dalla corrente, non la corrente stessa.

La microscopia magnetotermica ha dei limiti. Poiché i campioni devono essere configurati con contatti elettrici, il materiale deve essere modellato in un dispositivo. Di conseguenza, la tecnica non può essere applicata a campioni sfusi. Anche, il dispositivo e la sonda di scansione devono essere scalati insieme. Quindi, se vuoi misurare un fenomeno su scala nanometrica, il campione deve essere piccolo.

Ma queste limitazioni sono minori rispetto ai vantaggi di una forma relativamente a basso costo di microscopia magnetotermica nel proprio laboratorio.

"Proprio adesso, le persone devono recarsi in una struttura pubblica, come un impianto di sincrotrone, per fare questo tipo di misurazioni, " Zhang ha detto. "Scrivi una proposta, ottieni un tempo di raggio, e hai forse qualche settimana per lavorare, al massimo. Se non hai ottenuto il risultato che desideri, poi è forse un altro paio di mesi. Quindi questo sarà un progresso per il campo".