Natuurkundigen van de Universiteit van Iowa hebben een nieuwe techniek voorgesteld om materialen te detecteren en te meten die zwakke magnetische signalen afgeven of helemaal geen magnetisch veld hebben. Hun oplossing zou een niet-invasieve sonde gebruiken om een ​​magnetische reactie op te wekken in het materiaal dat wordt bestudeerd en vervolgens te detecteren hoe die reactie het eigen magnetische veld van de sonde verandert.

De techniek heeft veel potentiële toepassingen in de echte wereld, inclusief het opleveren van meer gevoelige magnetische resonantie beeldvorming (MRI) machines, het ontwikkelen van high-speed opslaggeheugen in de halfgeleiderindustrie, en het produceren van efficiëntere computerverwerkingseenheden (CPU's).

"Deze benadering is ontworpen om de situatie te meten waarin, als je de sonde niet in de buurt had, je zou niets zien. Er zouden helemaal geen magnetische velden zijn, " zegt Michael Flatté, natuurkunde en sterrenkunde professor en senior auteur van het artikel gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven . "Het is alleen de sonde zelf die de aanwezigheid van de magnetische velden veroorzaakt."

De sonde doet dit door "magnetische momenten" te creëren in materialen die anders een zwak magnetisch veld zouden uitzenden of helemaal geen magnetisch veld zouden hebben. Magnetische momenten treden op wanneer een groep elektronen zich in dezelfde richting oriënteert, net als kleine kompasnaalden die allemaal wijzen, zeggen, noorden. Die uniforme oriëntatie creëert een klein magnetisch veld. Ijzer, bijvoorbeeld, produceert een sterke respons omdat de meeste van zijn elektronen in dezelfde richting worden georiënteerd wanneer het een magnetische kracht tegenkomt.

Alles wat nodig is voor de sonde, die slechts een paar nanometer in diameter is, om een ​​magnetisch moment te creëren, is dat twee van de zes elektronen in dezelfde richtingsoriëntatie springen. Wanneer dat gebeurt, de sonde stimuleert voldoende elektronen in materialen met zwakke of niet-bestaande magnetische velden om zichzelf te heroriënteren, het creëren van een magnetisch moment in het materiaal - of net genoeg van één - dat de sonde kan detecteren. Hoe het magnetische moment van het materiaal het eigen magnetische veld van de sonde beïnvloedt, is meetbaar, die onderzoekers de middelen geeft om de fysieke afmetingen van het materiaal te berekenen, zoals de dikte.

"Deze elektronen (in materialen met zwakke of niet-bestaande magnetische velden) hebben hun eigen veld dat terugwerkt op de sonde en de sonde vervormt (op een bepaalde manier) die je dan kunt meten, " zegt Flatté, directeur van het Optical Science Technology Center van de UI.

Dit wordt belangrijk bij het vastleggen van de afmetingen van magnetische lagen die zijn begraven of ingeklemd tussen niet-magnetische lagen. Dergelijke situaties doen zich voor bij het werken met halfgeleiders en zullen toenemen naarmate de computerverwerking vordert.

"We berekenen de magnetische respons, en van daaruit zouden we weten waar de magnetische velden eindigen en dus de laagdikte kennen, ' zegt Flatte.

Het concept bouwt voort op een opkomende bemonsteringsaanpak genaamd stikstof-vacature center magnetometrie. Deze techniek, die berust op een geïntroduceerd defect in de kristalstructuur van een diamant (onderdompeling in een stikstofatoom voor twee koolstofatomen), is gedeeltelijk effectief omdat de sonde die het gebruikt (zoals de voorgestelde UI-sonde) is gemaakt van diamant, die kleine magnetische momenten creëert die de sleutel zijn tot het detecteren van magnetische velden in de bestudeerde materialen.

Maar er is een nadeel:magnetometrie met stikstof-vacaturecentrum werkt alleen met gemagnetiseerde materialen. Dat sluit supergeleiders uit, waar het magnetische veld ophoudt te bestaan ​​bij bepaalde temperaturen, en vele andere materialen. De voorgestelde oplossing van Flatté en co-auteur Joost van Bree omzeilt dat door de sonde te gebruiken om een ​​magnetisch veld te creëren dat materialen met zwakke of niet-bestaande magnetische velden dwingt om erop te reageren.

"Als je een magnetisch veld toepast op een supergeleider, het zal proberen dat magnetische veld dat erop wordt uitgeoefend te annuleren, " zegt Flatté. "Ook al doet het dat, het creëert een magnetisch veld buiten zichzelf dat vervolgens de spincentra beïnvloedt. Dat is dan te detecteren."