Novos horizontes para materiais magnéticos 2D - Aplicações AFM do Quantum Diamond NV-center

Durante séculos, a humanidade tem explorado o magnetismo e seus fenômenos relacionados sem parar. Nos primórdios do eletromagnetismo e da mecânica quântica, era difícil para os humanos imaginar a atração dos ímãs pelo ferro e a capacidade dos pássaros, peixes ou insetos de navegar entre destinos separados por milhares de quilômetros - fenômenos surpreendentes e interessantes com o mesmo origem magnética. Essas propriedades magnéticas originam-se da carga móvel e do spin de partículas elementares, que são tão predominantes quanto os elétrons. 

 

Materiais magnéticos bidimensionais tornaram-se um ponto de pesquisa de grande interesse e abrem novos rumos para o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos, que têm aplicações importantes em novos dispositivos optoeletrônicos e dispositivos spintrônicos. Recentemente, Physics Letters 2021, nº 12, também lançou um artigo especial sobre materiais magnéticos 2D, descrevendo o progresso dos materiais magnéticos 2D na teoria e nos experimentos de diferentes perspectivas. 

 

Um material magnético bidimensional com apenas alguns átomos de espessura pode fornecer o substrato para componentes eletrônicos de silício muito pequenos. Este incrível material é feito de pares de camadas ultrafinas que são empilhadas por forças de van der Waals, ou seja, forças intermoleculares, enquanto os átomos dentro das camadas estão conectados por ligações químicas. Embora seja apenas atomicamente espesso, ainda mantém propriedades físicas e químicas em termos de magnetismo, eletricidade, mecânica e óptica.

 

 

Materiais Magnéticos Bidimensionais

Imagem referenciada em https://phys.org/news/2018-10-flexy-flat-funcional-magnets.html

 

Para usar uma analogia interessante, cada elétron em um material magnético bidimensional é como uma pequena bússola com um pólo norte e um pólo sul, e a direção dessas “agulhas da bússola” determina a intensidade da magnetização. Quando essas “agulhas de bússola” infinitesimais se alinham espontaneamente, a sequência magnética constitui a fase fundamental da matéria, permitindo assim a preparação de diversos dispositivos funcionais, como geradores e motores, memórias magnetorresistivas e barreiras ópticas. Essa propriedade incrível também tornou quentes os materiais magnéticos bidimensionais. Embora os processos de fabrico de circuitos integrados estejam agora a melhorar, já estão limitados pelos efeitos quânticos à medida que os dispositivos estão a encolher. A indústria microeletrônica encontrou gargalos como baixa confiabilidade e alto consumo de energia, e a lei de Moore, que dura quase 50 anos, também encontrou dificuldades (lei de Moore: o número de transistores que podem ser acomodados em um circuito integrado dobra em cerca de a cada 18 meses). Se materiais magnéticos bidimensionais puderem ser usados ​​no futuro no campo de sensores magnéticos, memória aleatória e outros novos dispositivos spintrônicos, poderá ser possível quebrar o gargalo do desempenho dos circuitos integrados. 

 

Já sabemos que os cristais magnéticos de van der Waals carregam efeitos magnetoelétricos especiais e, portanto, os estudos magnéticos quantitativos são um passo essencial na pesquisa de materiais magnéticos bidimensionais. No entanto, ainda faltam estudos experimentais quantitativos sobre a resposta magnética de tais ímãs em nanoescala. Alguns estudos existentes relataram a realização da detecção do magnetismo cristalino na escala de mícron, mas essas técnicas não apenas ainda não fornecem informações quantitativas sobre a magnetização, mas também são altamente propensas a interferir no sinal magnético que dificulta amostras ultrafinas. Portanto, a atualização das técnicas de detecção é um desafio muito urgente para sondar as propriedades magnéticas dos materiais em nanoescala. 

 

Para enfrentar esse desafio, o CIQTEK oferece uma nova  medição de precisão quântica , o Microscópio de Força Atômica de Diamante Quântico (QDAFM), o microscópio de varredura NV baseado em técnicas de imagem de varredura NV-center de diamante e AFM. Pela manipulação quântica e leitura dos spins dos defeitos centrais de vacância de nitrogênio (NV) em diamantes, imagens quantitativas não destrutivas de propriedades magnéticas podem ser alcançadas. Com a alta resolução espacial em escala nanométrica e sensibilidade de detecção ultra-alta de spins individuais, ele pode ser usado para detectar quantitativamente as principais propriedades magnéticas dos ímãs de van der Waals e realizar imagens magnéticas de alta resolução espacial de sua magnetização, defeitos locais e magnéticos. domínios. Tem as vantagens únicas de ser não invasivo, cobrir uma ampla região de temperatura e uma grande faixa de medição de campo magnético. Tem uma ampla gama de aplicações em ciência quântica, química e ciência de materiais, bem como em campos de pesquisa biológica e médica.

 

Diagrama de magnetização do iodeto de cromo bidimensional

Imagem referenciada em  Sondagem de magnetismo em materiais 2D em nanoescala com microscopia de giro único （Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926）

 

A seguir, apresentamos as  aplicações específicas do QDAFM  em imagens de ressonância nanomagnética, imagens de ressonância magnética supercondutoras, imagens in situ de células e caracterização topológica de estrutura magnética.

 

 

Microscópio de força atômica de diamante quântico CIQTEK

( A versão ambiente e a versão criogênica)

 

01 Imagem por Ressonância Nanomagnética

Para materiais magnéticos, determinar sua distribuição estática de spin é um problema importante na física da matéria condensada e uma chave para o estudo de novos dispositivos magnéticos. QDAFM fornece um novo método que permite imagens magnéticas de alta resolução espacial com vantagens exclusivas, como não invasividade, cobertura de uma ampla região de temperatura e uma grande faixa de medição de campo magnético.

 

Imagem de parede de domínio magnético tipo Bloch

Imagem referenciada em  Tetienne, JPet al. A natureza das paredes de domínio em ferromagnetos ultrafinos revelada por nanomagnetometria de varredura. Nature Communications6, 6733(2015)

 

02 Imagem por Ressonância Magnética Supercondutora

Estudos em microescala de supercondutores e seus vórtices podem fornecer informações importantes para a compreensão do mecanismo da supercondutividade. Usando QDAFM operando em baixas temperaturas, estudos quantitativos de imagens de vórtices magnéticos de supercondutores podem ser realizados e estendidos a medições magnéticas de numerosos sistemas de matéria condensada de baixa temperatura.

 

Imagem quantitativa de campos espúrios de vórtices magnéticos únicos

Imagem referenciada por  Thiel, L.et al.Imagem quantitativa de vórtice em nanoescala usando um magnetômetro quântico criogênico. Natureza Nanotecnologia 11.677-681 (2016).

 

03 Imagens In Situ de Células 

Conseguir imagens moleculares em nanoescala in situ nas células é uma ferramenta importante para a pesquisa biológica. Entre as muitas técnicas de imagem, a ressonância magnética, que pode adquirir imagens da distribuição de spin no corpo da amostra de forma rápida e não destrutiva, tem sido amplamente utilizada em diversas áreas científicas. Especialmente na medicina clínica, desempenha um papel importante no estudo mecanicista, diagnóstico e tratamento de doenças porque é quase não invasivo aos organismos vivos. No entanto, as técnicas convencionais de ressonância magnética utilizam bobinas de indução magnética como sensores com limites de resolução espacial acima de mícrons e são incapazes de realizar imagens intracelulares em escala molecular.

Usando as propriedades de alta resolução espacial do QDAFM, os pesquisadores observaram a ferritina presente em organelas dentro das células com resolução de 10 nm.

 

Imagem nanomagnética de células in situ, moléculas de ferritina

Imagem referenciada por  Wang, P. et al. Imagem magnética em nanoescala de ferritinas em uma única célula. A ciência avança 5, 8038 (2019).

 

04 Caracterização Topológica da Estrutura Magnética

Skyrmions magnéticos são estruturas magnéticas de vórtice em nanoescala com propriedades topologicamente protegidas. Skyrmions magnéticos exibem uma riqueza de física nova e fornecem uma nova plataforma para o estudo da spintrônica topológica, e também têm aplicações potenciais em futuros dispositivos de computação e memória de alta densidade, baixa energia e não voláteis. No entanto, a detecção de skyrmions individuais à temperatura ambiente ainda é um desafio experimental. Os recursos de alta sensibilidade e alta resolução do QDAFM são ferramentas poderosas para resolver esse desafio, e a estrutura magnética dos skyrmions pode ser reconstruída por medições de campo disperso.

 

 

Imagem de campo magnético Skyrmions

Imagem referenciada em Dovzhenko, Y. et al. Torções magnetostáticas em skyrmions à temperatura ambiente exploradas pela reconstrução da textura do spin central com vacância de nitrogênio. Nature Communications 9, 2712 (2018).

 

Referências:

1. Revista de Física, Vol. 12, 2021, Tópico Especial sobre Materiais Magnéticos Bidimensionais

2. Cristais magnéticos bidimensionais e dispositivos de heteroestrutura emergentes (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav4450)

3. https://phys.org/news/2018-10-flexy-flat-funcional-magnets.html

4. Sondagem do magnetismo em materiais 2D em nanoescala com microscopia de giro único  ( Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926 )