Binnenkort beschikbaar op een laboratoriumtafel bij u in de buurt:een methode voor magneto-thermische beeldvorming die een resolutie op nanoschaal en picoseconde biedt die voorheen alleen beschikbaar was in synchrotron-faciliteiten.

Deze innovatie in ruimtelijke en temporele resolutie zal onderzoekers buitengewone inzichten geven in de magnetische eigenschappen van een reeks materialen, van metalen tot isolatoren, allemaal vanuit het comfort van hun labs, mogelijk een stimulans voor de ontwikkeling van magnetische opslagapparaten.

"Magnetische röntgenmicroscopie is een relatief zeldzame vogel, " zei Greg Fuchs, universitair hoofddocent toegepaste en technische fysica, die het project leidde. "De magnetische microscopie die dit soort ruimtelijke en temporele resolutie kan doen, zijn er maar heel weinig. Normaal gesproken je moet kiezen tussen ruimte of tijd. Je kunt ze niet allebei krijgen. Er zijn maar ongeveer vier of vijf plaatsen in de wereld die die mogelijkheid hebben. Dus de mogelijkheid om het op een tafelblad te doen, maakt spindynamiek op nanoschaal echt mogelijk voor onderzoek."

De krant van zijn team, "Nanoschaal magnetisatie en huidige beeldvorming met behulp van tijdopgeloste scanning-sonde magnetothermische microscopie, " gepubliceerd op 8 juni in het tijdschrift van de American Chemical Society Nano-letters . De hoofdauteur is postdoctoraal onderzoeker Chi Zhang.

Het artikel is het hoogtepunt van een bijna 10-jarige inspanning van de Fuchs-groep om magnetische beeldvorming te onderzoeken met magneto-thermische microscopie. In plaats van een materiaal met licht te bestralen, elektronen of röntgenstralen, de onderzoekers gebruiken een laser gericht op de scansonde om warmte toe te passen op een microscopisch deel van een monster en de resulterende elektrische spanning te meten voor lokale magnetische informatie.

Fuch en zijn team pionierden met deze aanpak en hebben in de loop der jaren inzicht gekregen in hoe temperatuurgradiënten evolueren in tijd en ruimte.

"Je denkt over warmte als een zeer langzame, diffusieproces, " zei Fuchs. "Maar in feite, diffusie op nanometer lengteschalen heeft picoseconde tijden. En dat is een belangrijk inzicht. Dat is wat ons de tijdresolutie geeft. Licht is een golf en buigt af. Het wil niet leven op deze zeer kleine lengteschalen. Maar de hitte kan."

De groep heeft de techniek eerder gebruikt om antiferromagnetische materialen af ​​te beelden en te manipuleren - die moeilijk te bestuderen zijn omdat ze geen magnetisch veld produceren - evenals magnetische metalen en isolatoren.

Hoewel het gemakkelijk genoeg is om een ​​laser scherp te stellen, de grootste hindernis was het beperken van dat licht en het genereren van voldoende warmte op nanometerschaal om het proces te laten werken. En omdat sommige verschijnselen op die schaal zo snel optreden, de beeldvorming moet even snel zijn.

"Er zijn veel situaties in magnetisme waar dingen wiebelen, en het is klein. En dit is eigenlijk wat je nodig hebt, ' zei Fuss.

Nu ze het proces hebben verfijnd en met succes een ruimtelijke resolutie van 100 nanometer en een temporele resolutie van minder dan 100 picoseconden hebben bereikt, het team kan de echte details van magnetisme verkennen, zoals skyrmions, quasi-deeltjes waarin de magnetische orde is gedraaid. Het begrijpen van dit soort "spintexturen" zou kunnen leiden tot nieuwe high-speed, magnetische opslag met hoge dichtheid en logische technologieën.

Naast magnetisme, de afhankelijkheid van de techniek van elektrische spanning betekent dat deze kan worden gebruikt om de stroomdichtheid te meten wanneer de spanning in wisselwerking staat met een materiaal. Dit is een nieuwe benadering, aangezien andere beeldvormingstechnieken de stroom meten door het magnetische veld te meten dat de stroom produceert, niet de stroom zelf.

Magneto-thermische microscopie heeft beperkingen. Omdat monsters moeten worden geconfigureerd met elektrische contacten, het materiaal moet in een apparaat worden gemodelleerd. Als resultaat, de techniek kan niet worden toegepast op bulkmonsters. Ook, het apparaat en de scansonde moeten samen worden geschaald. Dus als je een fenomeen op nanoschaal wilt meten, de steekproef moet klein zijn.

Maar die beperkingen zijn klein vergeleken met de voordelen van een relatief goedkope vorm van magnetothermische microscopie in je eigen lab.

"Direct, mensen moeten naar een openbare voorziening gaan, als een synchrotron-faciliteit, voor het doen van dit soort metingen, " zei Zhang. "Je schrijft een voorstel, je krijgt een straaltijd, en je hebt misschien een paar weken om te werken, op zijn best. Als u niet het gewenste resultaat krijgt, dan is het misschien nog een paar maanden. Dit wordt dus een vooruitgang voor het veld."