Imaging della struttura del dominio in un nastro magnetico con una sonda NV a scansione. La scansione della sonda centrale NV del diamante fabbricata mediante fresatura FIB dimostra l'imaging della struttura del dominio magnetico del nastro magnetico. Credito:Toshu An di JAIST.
Dalla scoperta di microrganismi nel campo della biologia all'imaging degli atomi nel campo della fisica, l'imaging microscopico ha migliorato la nostra comprensione del mondo ed è stato responsabile di molti progressi scientifici. Ora, con l'avvento della spintronica e dei dispositivi magnetici in miniatura, c'è una crescente necessità di imaging su scala nanometrica per rilevare le proprietà quantistiche della materia, come gli spin degli elettroni, la struttura del dominio magnetico nei ferromagneti e i vortici magnetici nei superconduttori.
In genere, ciò viene fatto integrando le tecniche di microscopia standard, come la microscopia a tunneling a scansione e la microscopia a forza atomica (AFM), con sensori magnetici per creare "sonde magnetometriche a scansione" in grado di ottenere imaging e rilevamento su scala nanometrica. Tuttavia, queste sonde richiedono spesso condizioni di vuoto ultra alto, temperature estremamente basse e sono limitate nella risoluzione spaziale dalle dimensioni della sonda.
A questo proposito, i centri di posti vacanti di azoto (NV) nel diamante (difetti nella struttura del diamante formati da atomi di azoto adiacenti a "vacanze" create da atomi mancanti) hanno suscitato notevole interesse. La coppia NV, si scopre, può essere combinata con l'AFM per realizzare l'imaging magnetico locale e può funzionare a temperatura e pressione ambiente. Tuttavia, la fabbricazione di queste sonde comporta tecniche complesse che non consentono molto controllo sulla forma e le dimensioni della sonda.
In un nuovo studio condotto dal Professore Associato Toshu An del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) e Yuta Kainuma, Ph.D. studente presso JAIST, in collaborazione con ricercatori dell'Università di Kyoto, in Giappone, e dell'Istituto nazionale di scienza e tecnologia industriale avanzata, in Giappone, ha affrontato questo problema, fabbricando sonde diamantate che ospitano NV utilizzando una nuova tecnica che combina il taglio laser e il fascio ionico focalizzato (FIB) elaborazione che ha consentito sia un elevato grado di libertà di elaborazione che il controllo sulla forma della sonda. Questo documento è stato reso disponibile online il 28 dicembre 2021 ed è stato pubblicato nel volume 130 numero 24 del Journal of Applied Physics .
Per cominciare, il team ha creato centri N-V in diamante sfuso impiantandovi ioni di azoto. Successivamente, hanno lucidato la superficie opposta e prodotto più pezzi a forma di bastoncino con il taglio laser. Hanno attaccato una delle aste diamantate alla punta di una sonda AFM e hanno utilizzato l'elaborazione FIB per trasformare la superficie anteriore dell'asta diamantata nella forma finale della sonda. "FIB utilizza ioni di gallio per modellare la sonda. Tuttavia, questi ioni possono creare spazi vuoti nella struttura del diamante alterando lo stato di carica del difetto NV. Per evitare ciò, abbiamo utilizzato uno schema di fresatura a forma di ciambella attorno al centro della sonda per prevenire qualsiasi danno al centro NV", elabora il Dr. An. La sonda finale era un micropilastro costituito da 103 centri NV con un diametro di 1,3 µm e una lunghezza di 6 µm.
Usando la sonda, il team ha ripreso la struttura del dominio magnetico periodico in un nastro magnetico. "Abbiamo ripreso i campi magnetici vaganti dalla struttura del dominio magnetico mappando l'intensità della fotoluminescenza a una frequenza di microonde fissa e le frequenze di risonanza negli spettri di risonanza magnetica rilevati otticamente", spiega il dottor An.
Il team è ottimista sul fatto che il nuovo metodo di fabbricazione amplierà l'applicabilità delle sonde di imaging quantistico. "Negli ultimi anni, lo sviluppo di nuovi dispositivi è stato cercato di risolvere problemi ambientali ed energetici e realizzare una prosperità sostenibile della società umana. Ci si aspetta che la tecnologia di rilevamento e misurazione quantistica riformi completamente il sistema che supporta l'infrastruttura sociale in futuro. In a questo proposito, la nostra tecnica di fabbricazione potrebbe aiutare a potenziare gli sforzi nella realizzazione di immagini quantistiche su scala nanometrica", afferma il dott. An. + Esplora ulteriormente
