Het verkrijgen van een nauwkeurig begrip van magnetische structuren is een van de belangrijkste doelstellingen van de vastestoffysica. Op dit gebied wordt momenteel veel onderzoek gedaan, het doel is om toekomstige gegevensverwerkingstoepassingen te ontwikkelen die kleine magnetische structuren als informatiedragers gebruiken. Natuurkundigen van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) en het Helmholtz Instituut Mainz (HIM) hebben onlangs een nieuwe methode gepresenteerd voor het onderzoeken van magnetische structuren door twee verschillende technieken te combineren. Dit maakt het mogelijk om zowel de magnetisatie als de magnetische velden van het monster te meten en in kaart te brengen. Betrokken bij het project waren atoomfysici van de werkgroep onder leiding van professor Dmitry Budker en het team van experimentele vastestoffysici onder leiding van professor Mathias Kläui. De bevindingen zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast .

"In dit project hebben we twee kwantumdetectietechnieken gecombineerd die nog nooit eerder samen waren gebruikt om een ​​monster te analyseren, " legde Till Lenz uit, eerste auteur van het artikel en een promovendus in de groep van Budker. Een bekende methode die wordt gebruikt in de vastestoffysica maakt gebruik van het magneto-optische Kerr-effect (MOKE) om magnetische velden en magnetisatie te detecteren. "Maar dit geeft ons slechts een beperkte hoeveelheid informatie, "zei Lenz. Om deze reden, de onderzoekers besloten het Kerr-effect te combineren met magnetometriemethoden die gebruik maken van zogenaamde diamantkleurcentra om ook magnetische velden in kaart te kunnen brengen. "We hopen dat dit zal leiden tot nieuwe inzichten als het gaat om vastestoffysica en ferromagnetische structuren, " verklaarde Georgios Chatzidrosos, ook een doctoraatsstudent in de Budker-groep. Professor Mathias Kläui is enthousiast over de nieuwe meetmogelijkheden:"Het gebruik van diamantsondes zorgt voor een gevoeligheid die geheel nieuwe mogelijkheden opent met betrekking tot meetpotentialen."

Nieuwe gecombineerde meetmethoden kunnen worden gebruikt in een groot aantal verschillende omgevingscondities

Diamant is niet alleen een edelsteen, maar wordt ook gebruikt voor het maken van snij- en slijpgereedschappen. Specifieke defecten in het diamantkristalrooster resulteren in eigenschappen die kunnen worden gebruikt om magnetische structuren te onderzoeken. Deze kleurcentra, ook wel stikstof-leegstandscentra genoemd, zijn puntdefecten in de koolstofroosterstructuur van diamant. De onderzoeksgroep onder leiding van professor Dmitry Budker gebruikt deze kleurcentra in diamant als sondes om magnetische verschijnselen te meten.

Op diamanten gebaseerde magnetometers kunnen zowel bij zeer lage temperaturen als bij temperaturen boven kamertemperatuur functioneren, terwijl de vereiste afstanden tussen monster en sonde minuscuul kunnen zijn, in het bereik van slechts enkele nanometers. "We hebben een dun laagje stikstofdefecten in een diamantkristal en hiermee kunnen we magnetische structuren in kaart brengen en foto's maken van magnetische velden, " verklaarde Dr. Arne Wickenbrock van de Budker-groep. En co-auteur Dr. Lykourgos Bougas voegde toe:"Door alle componenten van een magnetisch veld in kaart te brengen, we kunnen de mogelijkheden van magneto-optische metingen aanvullen en uitbreiden."

"De sonde die functioneert met behulp van diamantkleurcentra is veel gevoeliger dan conventionele gereedschappen en geeft ons extreem goede resultaten. We hebben toegang tot enkele fascinerende monsters, wat resulteert in unieke mogelijkheden voor samenwerking, " benadrukte professor Mathias Kläui, waarin het voordeel van de samenwerking tussen de twee onderzoeksgroepen wordt beschreven. "Het combineren van onze complementaire meettechnieken maakt de volledige reconstructie van de magnetische eigenschappen van onze monsters mogelijk." Het onlangs gepubliceerde artikel is het product van teamwork binnen de Dynamics and Topology (TopDyn) Top-level Research Area bij JGU, die wordt gefinancierd door de deelstaat Rijnland-Palts. In aanvulling, het werk werd ook uitgevoerd onder de paraplu van het 3D MAGiC-project, die is gelanceerd in samenwerking met Forschungszentrum Jülich en de Radboud Universiteit Nijmegen in Nederland en is bekroond met een ERC Synergy Grant.

Om het artikel te citeren dat is gepubliceerd in Physical Review Applied:"Ons concept vertegenwoordigt een nieuw platform voor breedveldbeeldvorming van de magnetisatie en de resulterende magnetische velden van magnetische structuren met behulp van gemanipuleerde magnetische diamantsensoren en een optische opstelling die beide meetmodaliteiten mogelijk maakt." Naast de twee JGU- en HIM-werkgroepen, ook betrokken was professor Yannick Dumeige van de Université de Rennes 1 in Frankrijk, die als ontvanger van een Friedrich Wilhelm Bessel Research Award van de Alexander von Humboldt Foundation in 2018 ook met de Budker-groep werkte. Professor Kai-Mei Fu, natuurkundige aan de Universiteit van Washington, nam ook deel aan het project als HIM Distinguished Visitor.

Kijkend naar de toekomst, de samenwerkingspartners zijn van plan om de nieuwe techniek te gebruiken om verschillende multidisciplinaire aspecten te analyseren die van bijzonder belang zijn voor de respectieve groepen. Deze omvatten het onderzoeken van tweedimensionale magnetische materialen, de magnetische effecten van moleculaire chiraliteit, en supergeleiding bij hoge temperaturen.