Новые горизонты для 2D-магнитных материалов — приложения АСМ Quantum Diamond NV-center

На протяжении веков человечество безостановочно исследовало магнетизм и связанные с ним явления. На заре электромагнетизма и квантовой механики людям было трудно представить себе притяжение магнитов к железу и способность птиц, рыб или насекомых перемещаться между пунктами назначения на расстоянии тысяч миль друг от друга — удивительные и интересные явления с одинаковыми магнитное происхождение. Эти магнитные свойства возникают из-за движущегося заряда и вращения элементарных частиц, которые так же распространены, как и электроны. 

 

Двумерные магнитные материалы стали горячей точкой исследования, вызывающей большой интерес, и они открывают новые направления для разработки устройств спинтроники, которые имеют важное применение в новых устройствах оптоэлектроники и устройствах спинтроники. Недавно журнал Physics Letters 2021, № 12, также опубликовал специальную статью о двумерных магнитных материалах, описывающую прогресс в области двумерных магнитных материалов в теории и экспериментах с разных точек зрения. 

 

Двумерный магнитный материал толщиной всего в несколько атомов может стать подложкой для очень маленькой кремниевой электроники. Этот удивительный материал состоит из пар ультратонких слоев, которые сложены вместе силами Ван-дер-Ваальса, то есть межмолекулярными силами, а атомы внутри слоев соединены химическими связями. Хотя его толщина составляет всего лишь атом, он все же сохраняет физические и химические свойства с точки зрения магнетизма, электричества, механики и оптики.

 

 

Двумерные магнитные материалы

Ссылка на изображение взята с https://phys.org/news/2018-10-flexy-flat-functional-magnets.html.

 

Если использовать интересную аналогию, каждый электрон в двумерном магнитном материале подобен крошечному компасу с северным и южным полюсом, и направление этих «стрелок компаса» определяет интенсивность намагничивания. Когда эти бесконечно малые «стрелки компаса» самопроизвольно выравниваются, магнитная последовательность составляет фундаментальную фазу материи, что позволяет подготовить множество функциональных устройств, таких как генераторы и двигатели, магниторезистивная память и оптические барьеры. Это удивительное свойство также сделало двумерные магнитные материалы горячими. Хотя процессы производства интегральных схем сейчас совершенствуются, они уже ограничены квантовыми эффектами, поскольку устройства уменьшаются. Промышленность микроэлектроники столкнулась с такими узкими местами, как низкая надежность и высокое энергопотребление, а закон Мура, действующий почти 50 лет, также столкнулся с трудностями (закон Мура: количество транзисторов, которые можно разместить на интегральной схеме, удваивается примерно за один раз). каждые 18 месяцев). Если двумерные магнитные материалы можно будет использовать в будущем в области магнитных датчиков, произвольной памяти и других новых устройств спинтроники, возможно, удастся преодолеть узкое место в производительности интегральных схем. 

 

Мы уже знаем, что магнитные кристаллы Ван-дер-Ваальса обладают особыми магнитоэлектрическими эффектами, и поэтому количественные магнитные исследования являются важным шагом в исследовании двумерных магнитных материалов. Однако количественные экспериментальные исследования магнитного отклика таких магнитов на наноуровне все еще очень недостаточны. В некоторых существующих исследованиях сообщается о реализации обнаружения кристаллического магнетизма в микронном масштабе, но эти методы не только еще не дают количественной информации о намагниченности, но также сильно подвержены помехам магнитному сигналу, что препятствует ультратонким образцам. Поэтому обновление методов обнаружения является очень актуальной задачей для исследования магнитных свойств материалов на наноуровне. 

 

Чтобы решить эту проблему, CIQTEK предлагает новое  квантово-прецизионное измерение — квантово-алмазный атомно-силовой микроскоп (QDAFM), сканирующий NV-микроскоп, основанный на алмазном NV-центре и методах сканирования АСМ. С помощью квантовых манипуляций и считывания спинов дефектов азотно-вакансионного центра (NV) в алмазах можно получить количественное неразрушающее изображение магнитных свойств. Благодаря высокому пространственному разрешению в нанометровом масштабе и сверхвысокой чувствительности обнаружения отдельных спинов его можно использовать для количественного обнаружения ключевых магнитных свойств магнитов Ван-дер-Ваальса и выполнения магнитной визуализации с высоким пространственным разрешением их намагниченности, локальных дефектов и магнитных свойств. домены. Он обладает уникальными преимуществами: неинвазивность, охват широкого диапазона температур и большой диапазон измерения магнитного поля. Он имеет широкий спектр применений в квантовой науке, химии и материаловедении, а также в областях биологических и медицинских исследований.

 

Диаграмма намагничивания двумерного йодида хрома

Изображение взято из  книги «Зондовый магнетизм в 2D-материалах на наноуровне с помощью односпиновой микроскопии» (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926)

 

Далее мы представляем  конкретные применения QDAFM  в наномагнитно-резонансной томографии, сверхпроводниковой магнитно-резонансной томографии, визуализации клеток in situ и характеристике топологической магнитной структуры.

 

 

Квантовый алмазный атомно-силовой микроскоп CIQTEK

( Версия для окружающей среды и криогенная версия)

 

01 Наномагнитно-резонансная томография

Для магнитных материалов определение их статического спинового распределения является важной проблемой физики конденсированного состояния и ключом к исследованию новых магнитных устройств. QDAFM представляет собой новый метод, который обеспечивает получение магнитных изображений с высоким пространственным разрешением и уникальными преимуществами, такими как неинвазивность, охват широкого диапазона температур и большой диапазон измерения магнитного поля.

 

Визуализация магнитной доменной стенки типа Блоха

Изображение взято из  Tetienne, JPet al. Природа доменных границ в ультратонких ферромагнетиках раскрыта методом сканирующей наномагнетометрии. Природные коммуникации6, 6733(2015)

 

02 Сверхпроводящая магнитно-резонансная томография

Микромасштабные исследования сверхпроводников и их вихрей могут дать важную информацию для понимания механизма сверхпроводимости. Используя QDAFM, работающий при низких температурах, можно проводить количественные исследования магнитных вихрей сверхпроводников, а также расширять их до магнитных измерений многочисленных низкотемпературных конденсированных систем.

 

Количественное изображение побочных полей одиночных магнитных вихрей

Изображение взято из  работы Тиля, Л. и др. Количественная наномасштабная визуализация вихрей с использованием криогенного квантового магнитометра. Природные нанотехнологии 11,677–681 (2016).

 

03 Визуализация клеток in situ 

Получение наноразмерной молекулярной визуализации in situ в клетках является важным инструментом биологических исследований. Среди многих методов визуализации в нескольких научных областях широко используется магнитно-резонансная томография, которая позволяет быстро и неразрушающе получать изображения распределения спина в теле образца. Особенно в клинической медицине он играет важную роль в изучении механизмов, диагностике и лечении заболеваний, поскольку практически неинвазивен для живых организмов. Однако традиционные методы магнитно-резонансной томографии используют катушки магнитной индукции в качестве датчиков с пределами пространственного разрешения выше микронов и не могут выполнять внутриклеточную визуализацию на молекулярном уровне.

Используя свойства QDAFM с высоким пространственным разрешением, исследователи наблюдали присутствие ферритина в органеллах внутри клеток с разрешением 10 нм.

 

Наномагнитная визуализация клеток in situ молекул ферритина

Изображение взято из  Wang, P. et al. Наномасштабная магнитная визуализация ферритинов в одной клетке. Прогресс науки 5, 8038 (2019).

 

04 Характеристика топологической магнитной структуры

Магнитные скирмионы представляют собой наноразмерные вихревые магнитные структуры с топологически защищенными свойствами. Магнитные скирмионы демонстрируют богатство новой физики и обеспечивают новую платформу для изучения топологической спинтроники, а также имеют потенциальные применения в будущих высокоплотных, энергонезависимых, энергонезависимых вычислениях и устройствах памяти. Однако обнаружение отдельных скирмионов при комнатной температуре по-прежнему является экспериментальной проблемой. Высокая чувствительность и высокое разрешение QDAFM являются мощными инструментами для решения этой проблемы, а магнитная структура скирмионов может быть восстановлена ​​с помощью измерений поля рассеяния.

 

 

Визуализация магнитного поля Скирмионов

Изображение взято из Довженко Ю. и др. Магнитостатические скручивания в скирмионах при комнатной температуре, исследованные с помощью реконструкции спиновой текстуры центра азотной вакансии. Nature Communications 9, 2712 (2018).

 

Использованная литература:

1. Физический журнал, Том. 12, 2021, Специальная тема «Двумерные магнитные материалы».

2. Двумерные магнитные кристаллы и устройства с возникающей гетероструктурой (Наука, 2019, DOI: 10.1126/science.aav4450)

3. https://phys.org/news/2018-10-flexy-flat-functional-magnets.html.

4. Зондирование магнетизма в 2D-материалах на наноуровне с помощью односпиновой микроскопии  ( Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926 ) .