Физики создали новый метод для высокоточной съемки магнитных наноструктур.

Ограничение разрешения традиционных оптических микроскопов связано с длиной волны света, что делает объекты размером менее 500 нанометров неразличимыми.

Метод, разработанный учеными из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (MLU) и Института физики микроструктур общества Макса Планка в Германии, позволяет преодолеть это ограничение. Физики использовали аномальный эффект Нернста (anomalous Nernst effect, ANE) и специальный наноразмерный металлический наконечник зонда микроскопа для достижения высокого разрешения.

Аномальный эффект Нернста создает электрическое напряжение в магнитном материале, перпендикулярное как к магнетизации, так и к градиенту температуры в образце. Исследователи решили использовать этот эффект.

Ученым пришлось одновременно нагревать максимально малую область образца и создавать электромагнитное поле в том же месте. В таких условиях ANE генерирует напряжение, которое затем измеряется, и, сопоставив все данные о исследуемой области, ученые формируют изображения.

«Мы смогли сфокусировать лазерный луч на наконечнике кантилевера атомно-силового микроскопа, что позволило создать температурный градиент на поверхности образца в ограниченной нанометровой области. Металлический наконечник функционировал как антенна, концентрируя электромагнитное поле в крошечной зоне под своим кончиком», — объясняет профессор Георг Вольтерсдорф (Georg Woltersdorf).

Эта методика позволяет проводить измерения ANE с значительно более высоким разрешением, чем это возможно с традиционной оптической микроскопией. Исследовательская группа продемонстрировала изображения, полученные с помощью нового метода, с разрешением около 70 нанометров.

Предыдущие исследования сосредотачивались только на магнитной поляризации в плоскости образца. Однако, как утверждает исследовательская группа, температурный градиент в плоскости также имеет важное значение и позволяет изучать внеплоскостную поляризацию при помощи измерений ANE. Чтобы закрыть этот пробел и продемонстрировать надежность метода ANE для визуализации магнитных структур в нанометровом масштабе, исследователи использовали магнитную вихревую структуру.

Магнитный вихрь представляет собой конфигурацию магнитных моментов в материале, где направления намагниченности закручиваются вокруг центральной точки, формируя вихревое распределение.

Главное преимущество новой техники заключается в том, что ее можно применять к хиральным антиферромагнитным материалам. Это особый класс магнитных материалов, в которых магнитные моменты атомов упорядочены антипараллельно, как в обычных антиферромагнетиках, но дополнительно проявляется хиральность — закрученность или асимметрия в их магнитной структуре. Хиральные антиферромагнетики активно исследуются для применения в спинтронике, квантовой электронике и сенсорике, поэтому ученым важно детально видеть объекты из этих материалов.

Работа опубликована в журнале ACS Nano.