Microscopia de sonda de varredura NV-center em antiferromagnetismo - aplicação Quantum Diamond NV-AFM

O que é material antiferromagnético?

 

Figura 1: Disposição do Momento Magnético em Antiferromagnetos

 

As propriedades comuns do ferro são ferromagnetismo, ferroeletricidade e ferroelasticidade. Materiais com duas ou mais propriedades de ferro ao mesmo tempo são chamados de materiais multiferróicos. Multiferróicos geralmente possuem fortes propriedades de acoplamento de ferro, ou seja, uma propriedade de ferro do material pode modular outra propriedade de ferro, como usar um campo elétrico aplicado para modular as propriedades ferroelétricas do material e, assim, afetar as propriedades ferromagnéticas do material. Espera-se que tais materiais multiferróicos sejam a próxima geração de dispositivos eletrônicos de spin. Dentre eles, os materiais antiferromagnéticos têm sido amplamente estudados por apresentarem boa robustez ao campo magnético aplicado.

 

O antiferromagnetismo é uma propriedade magnética de um material no qual os momentos magnéticos estão dispostos em uma ordem escalonada antiparalela e não exibem um momento magnético líquido macroscópico. Este estado magneticamente ordenado é chamado antiferromagnetismo. Dentro de um material antiferromagnético, os spins dos elétrons de valência adjacentes tendem a estar em direções opostas e nenhum campo magnético é gerado. Os materiais antiferromagnéticos são relativamente incomuns e a maioria deles existe apenas em baixas temperaturas, como óxido ferroso, ligas de ferromanganês, ligas de níquel, ligas de terras raras, boretos de terras raras, etc. BiFeO3, que está atualmente sob intensa pesquisa.

 

Perspectivas de aplicação de materiais antiferromagnéticos

O conhecimento do antiferromagnetismo se deve principalmente ao desenvolvimento da tecnologia de espalhamento de nêutrons para que possamos “ver” o arranjo dos spins nos materiais e assim confirmar a existência do antiferromagnetismo. Talvez o Prémio Nobel da Física tenha inspirado os investigadores a concentrarem-se nos materiais antiferromagnéticos, e o valor do antiferromagnetismo foi gradualmente explorado.

 

Os materiais antiferromagnéticos são menos suscetíveis à ionização e à interferência do campo magnético e têm frequências próprias e frequências de transição de estado várias ordens de grandeza superiores às dos materiais ferromagnéticos típicos. A ordenação antiferromagnética em semicondutores é mais facilmente observada do que a ordenação ferromagnética. Essas vantagens tornam os materiais antiferromagnéticos um material atraente para a spintrônica.

 

A nova geração de memória magnética de acesso aleatório usa métodos elétricos para escrever e ler informações em ferromagnetos, o que pode reduzir a imunidade dos ferromagnetos e não conduz ao armazenamento estável de dados, e os campos dispersos de materiais ferromagnéticos podem ser um obstáculo significativo para sistemas altamente integrados. recordações. Em contraste, os antiferromagnetos têm magnetização líquida zero, não geram campos dispersos e são insensíveis a campos externos. Portanto, a memória baseada em antiferromagneto resolve perfeitamente o problema da memória ferromagnética e se torna um material de memória com potencial muito atraente.

 

 

Figura 2: Memória magnética de acesso aleatório (imagem da Internet)

 

Observação de Domínios Antiferromagnéticos

O estudo dos domínios antiferromagnéticos é indissociável das técnicas de observação. Os meios comuns de observação de domínios magnéticos são a microscopia de força magnética (MFM), que usa a ponta de uma agulha magnética para registrar a força do campo magnético na superfície da amostra usando técnicas de microscopia de força atômica; Microscopia de raios X, que se baseia no princípio de que a taxa de absorção dos raios X pode refletir o campo magnético da amostra; e microscopia magneto-óptica Kerr (Moke), que usa o efeito magneto-óptico Kerr para medir a distribuição de magnetização. Embora as técnicas de cada método de imagem tenham sido desenvolvidas com perfeição, esses meios são insuficientes em termos de sensibilidade para alcançar a detecção de spin único devido ao fraco magnetismo antiferromagnético, e é difícil observar a estrutura do domínio magnético dos antiferromagnetos.

 

Nos últimos anos, uma estrutura especial de defeitos em diamantes, o centro Nitrogen-Vacancy (NV), atraiu a atenção de muitos pesquisadores. O microscópio de sonda de varredura do centro NV integra o centro NV em diamante na ponta da sonda AFM e combina a técnica de varredura AFM para obter os resultados do domínio magnético na superfície da amostra, que tem as vantagens de alta sensibilidade (1 T/ Hz1/2), resolução espacial (10 nm) e não invasividade. resolução (10 nm) e não invasividade.

 

A ferrita de bismuto BiFeO3 (BFO) pertence a uma classe de materiais multiferróicos com ferroeletricidade e antiferromagnetismo acompanhados de ferromagnetismo fraco e é um dos atuais pontos quentes na pesquisa de materiais multiferróicos. Estudos de difração de nêutrons de alta resolução revelaram que o BFO possui uma estrutura magnética espacial com período de 64 nm. Em 2017, I. Gross et al. observaram a sequência antiferromagnética em filmes BFO em temperatura ambiente com o auxílio da microscopia de varredura por sonda central NV, e os resultados experimentais observaram uma estrutura magnética de pêndulo de spin com período de cerca de 70 nm, conforme mostrado na Figura 3.

 

Figura 3: Estrutura magnética periódica do BFO observada por I. Gross et al. usando microscopia de sonda de varredura do centro NV

(Fonte da imagem: I.Gross et al. Imagem em espaço real de ordem antiferromagnética não colinear com um magnetômetro de rotação única, Nature, 2017, 549:252)

 

Figura 4: Observação de estruturas antiferromagnéticas e skyrmions usando microscopia de sonda de varredura central NV por F. Aurore et al.

(Fonte da imagem: F. Aurore et al. Imagem de texturas antiferromagnéticas não colineares via relaxometria de spin único, Nature Communications, 2012, 12: 767)

 

Além disso, em 2021, F. Aurore et al. da mesma forma, usou microscopia de sonda de varredura do centro NV para observar estruturas magnéticas, como paredes de domínio magnético e skyrmions em antiferromagnetos sintéticos, como mostrado na Figura 4. Os resultados deste experimento sugerem que a técnica de microscopia de sonda de varredura do centro NV pode ser estendida a outros antiferromagnetos , proporcionando novas oportunidades para estudar ondas magnéticas de spin locais.

 

 

Figura 5: Estudo de microscopia de sonda de varredura no centro NV de domínios antiferromagnéticos CuMnAs

( Fonte da imagem : MS Wörnle et al. Fragmentação induzida por corrente de domínios antiferromagnéticos arXiv:2019, 1912.05287)

 

MS Wörnle usou microscopia de sonda de varredura do centro NV para estudar o efeito dos pulsos de corrente na configuração estrutural dos domínios antiferromagnéticos de CuMnAs, mostrando que grandes mudanças de resistência estão associadas à fragmentação em nanoescala dos domínios magnéticos induzidos pela escrita de pulsos de corrente. As mudanças induzidas por corrente na estrutura do domínio magnético são ainda demonstradas como não homogêneas pela imagem da distribuição de densidade de corrente em microdispositivos CuMnAs com geometrias cruzadas.

 

 

Figura 6: Microscopia de sonda de varredura do centro NV para Cr2O3 antiferromagnético

(Fonte da imagem: WS Huxter et al. Gradiometria de varredura com um magnetômetro quântico de spin único, arXiv:2202.09130v1)

 

Além disso, o Cr2O3 é um material multiferróico relatado anteriormente que é antiferromagnético à temperatura ambiente. Em 2022, WS Huxter et al. mediu imagens de distribuições de campo magnético estático na ordem de micro-Tesla em degraus atômicos na superfície de Cr2O3, usando a técnica de varredura gradiente de microscopia de sonda de varredura do centro NV.

 

As vantagens da microscopia de sonda de varredura do centro NV são a alta sensibilidade de um único giro (1uT/Hz1/2) e a resolução espacial em nanoescala (10 nm). Além disso, os centros NV de diamante são muito leves, termicamente estáveis ​​e biologicamente corretos, permitindo imagens magnéticas quantitativas e não destrutivas. Ele também funciona sob uma ampla variedade de condições, especialmente em temperatura ambiente, e é adequado como ferramenta de imagem magnética para ciências biológicas.

 

A CIQTEK lançou um microscópio comercial de sonda de varredura de centro NV,  Microscópio de Força Atômica de Diamante Quântico (NV-AFM ou QDAFM) , que tem as vantagens de ser não invasivo, cobrindo uma ampla faixa de temperatura e grande faixa de medição de campo magnético. Pode ser aplicado a imagens magnéticas de materiais bidimensionais, imagens de nanocorrentes, imagens magnéticas de vórtice supercondutor e imagens magnéticas celulares, e tem uma ampla gama de aplicações em ciência quântica, química e ciência de materiais, bem como biológicas e médicas. campos de pesquisa.

 

 

Figura 7: Microscópio de Força Atômica CIQTEK Quantum Diamond (NV-AFM ou QDAFM)

( A versão ambiente e a versão criogênica)