Voor de eerste keer, natuurkundigen hebben met succes spiraalvormige magnetische ordening in een multiferroïsch materiaal afgebeeld. Deze materialen worden beschouwd als veelbelovende kandidaten voor toekomstige gegevensopslagmedia. De onderzoekers konden hun bevindingen bewijzen met behulp van unieke kwantumsensoren die zijn ontwikkeld aan de Universiteit van Basel en die elektromagnetische velden op nanometerschaal kunnen analyseren. De resultaten, verkregen door wetenschappers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel, het Zwitserse Nanoscience Institute, de Universiteit van Montpellier en verschillende laboratoria van de Universiteit Parijs-Saclay - werden onlangs in het tijdschrift gepubliceerd Natuur .

Multiferroics zijn materialen die gelijktijdig reageren op elektrische en magnetische velden. Deze twee eigenschappen worden zelden samen gevonden, en hun gecombineerde effect maakt het mogelijk om de magnetische ordening van materialen te veranderen met behulp van elektrische velden.

Dit biedt met name mogelijkheden voor nieuwe gegevensopslagapparaten:multiferroïsche materialen kunnen worden gebruikt om magnetische opslagmedia op nanoschaal te maken die kunnen worden ontcijferd en gewijzigd met behulp van elektrische velden.

Dergelijke magnetische media zouden zeer weinig stroom verbruiken en met zeer hoge snelheden werken. Ze kunnen ook worden gebruikt in spintronica - een nieuwe vorm van elektronica die zowel de spin van elektronen als elektrische lading gebruikt.

Spiraal magnetische bestellen

Bismutferriet is een multiferroïsch materiaal dat zelfs bij kamertemperatuur elektrische en magnetische eigenschappen vertoont. Hoewel de elektrische eigenschappen ervan diepgaand zijn bestudeerd, er was tot nu toe geen geschikte methode om magnetische ordening op nanometerschaal weer te geven.

De groep onder leiding van Georg-H.-Endress Professor Patrick Maletinsky van het Zwitserse Nanoscience Institute en de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel, heeft kwantumsensoren ontwikkeld op basis van diamanten met stikstof-leegstandscentra. Hierdoor konden ze, in samenwerking met collega's van de Universiteit van Montpellier en de Universiteit Paris-Saclay in Frankrijk, om voor het eerst de magnetische ordening van een dunne bismut-ferrietfilm af te beelden en te bestuderen, zoals ze zich melden Natuur .

Weten hoe de elektronenspins zich gedragen en hoe het magnetische veld is geordend, is van cruciaal belang voor de toekomstige toepassing van multiferroïsche materialen als gegevensopslag.

De wetenschappers konden aantonen dat bismut-ferriet een magnetische spiraalvormige ordening vertoont, met twee over elkaar heen geplaatste elektronenspins (weergegeven in rood en blauw in de afbeelding) die tegengestelde oriëntaties aannemen en in de ruimte roteren, terwijl eerder werd aangenomen dat deze rotatie binnen een vlak plaatsvond. Volgens de onderzoekers is de kwantumsensoren laten nu zien dat een lichte kanteling in deze tegengestelde spins leidt tot ruimtelijke rotatie met een lichte draaiing.

"Onze diamanten kwantumsensoren maken niet alleen kwalitatieve maar ook kwantitatieve analyse mogelijk. Dit betekende dat we voor het eerst een gedetailleerd beeld konden krijgen van de spinconfiguratie in multiferroics, ", legt Patrick Maletinsky uit. "We zijn ervan overtuigd dat dit de weg zal effenen voor vooruitgang in het onderzoek naar deze veelbelovende materialen."

Vacatures met bijzondere eigenschappen

De kwantumsensoren die ze gebruikten, bestaan ​​uit twee kleine monokristallijne diamanten, waarvan de kristalroosters een vacature hebben en een stikstofatoom op twee aangrenzende posities. Deze stikstof-leegstandscentra bevatten elektronen in een baan waarvan de spins zeer gevoelig reageren op externe elektrische en magnetische velden, waardoor de velden kunnen worden afgebeeld met een resolutie van slechts enkele nanometers.

Wetenschappers van de Universiteit van Montpellier deden de magnetische metingen met behulp van de in Bazel geproduceerde kwantumsensoren. De monsters zijn geleverd door experts van het CNRS/Thales-laboratorium van de Universiteit Parijs-Saclay, die toonaangevend zijn op het gebied van bismutferrietonderzoek.

Quantumsensoren voor de markt

De kwantumsensoren die in het onderzoek worden gebruikt, zijn geschikt voor het bestuderen van een breed scala aan materialen, omdat ze nauwkeurig gedetailleerde kwalitatieve en kwantitatieve gegevens leveren, zowel bij kamertemperatuur als bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt.

Om ze beschikbaar te maken voor andere onderzoeksgroepen, Patrick Maletinsky richtte in 2016 de start-up Qnami op in samenwerking met Dr. Mathieu Munsch. Qnami produceert de diamantsensoren en geeft toepassingsadvies aan haar klanten uit onderzoek en industrie.