Nuevos horizontes para materiales magnéticos 2D: aplicaciones AFM del centro NV de Quantum Diamond

Durante siglos, la humanidad ha estado explorando sin pausa el magnetismo y sus fenómenos relacionados. En los primeros días del electromagnetismo y la mecánica cuántica, a los humanos les resultaba difícil imaginar la atracción de los imanes por el hierro y la capacidad de las aves, los peces o los insectos para navegar entre destinos a miles de kilómetros de distancia: fenómenos asombrosos e interesantes con el mismo origen magnético. Estas propiedades magnéticas se originan en la carga en movimiento y el espín de las partículas elementales, que son tan frecuentes como los electrones. 

 

Los materiales magnéticos bidimensionales se han convertido en un foco de investigación de gran interés y abren nuevas direcciones para el desarrollo de dispositivos espintrónicos, que tienen importantes aplicaciones en nuevos dispositivos optoelectrónicos y dispositivos espintrónicos. Recientemente, Physics Letters 2021, No. 12, también lanzó un artículo especial sobre materiales magnéticos 2D, que describe el progreso de los materiales magnéticos 2D en teoría y experimentos desde diferentes perspectivas. 

 

Un material magnético bidimensional de sólo unos pocos átomos de espesor puede proporcionar el sustrato para componentes electrónicos de silicio muy pequeños. Este sorprendente material está formado por pares de capas ultrafinas que se apilan entre sí mediante fuerzas de van der Waals, es decir, fuerzas intermoleculares, mientras que los átomos dentro de las capas están conectados mediante enlaces químicos. Aunque sólo tiene un espesor atómico, aún conserva propiedades físicas y químicas en términos de magnetismo, electricidad, mecánica y óptica.

 

 

Materiales magnéticos bidimensionales

Imagen referenciada de https://phys.org/news/2018-10-flexy-flat-functional-magnets.html

 

Para usar una analogía interesante, cada electrón en un material magnético bidimensional es como una pequeña brújula con un polo norte y sur, y la dirección de estas "agujas de la brújula" determina la intensidad de la magnetización. Cuando estas infinitesimales "agujas de brújula" se alinean espontáneamente, la secuencia magnética constituye la fase fundamental de la materia, permitiendo así la preparación de muchos dispositivos funcionales, como generadores y motores, memorias magnetorresistivas y barreras ópticas. Esta asombrosa propiedad también ha calentado los materiales magnéticos bidimensionales. Aunque los procesos de fabricación de circuitos integrados están mejorando ahora, ya están limitados por los efectos cuánticos a medida que los dispositivos se reducen. La industria de la microelectrónica ha tropezado con obstáculos como la baja fiabilidad y el alto consumo de energía, y la ley de Moore, que ha durado casi 50 años, también ha tropezado con dificultades (ley de Moore: el número de transistores que pueden acomodarse en un circuito integrado se duplica en aproximadamente cada 18 meses). Si en el futuro se pueden utilizar materiales magnéticos bidimensionales en el campo de los sensores magnéticos, la memoria aleatoria y otros nuevos dispositivos espintrónicos, será posible romper el cuello de botella del rendimiento de los circuitos integrados. 

 

Ya sabemos que los cristales magnéticos de Van der Waals tienen efectos magnetoeléctricos especiales y, por tanto, los estudios magnéticos cuantitativos son un paso esencial en la investigación de materiales magnéticos bidimensionales. Sin embargo, aún faltan estudios experimentales cuantitativos sobre la respuesta magnética de tales imanes a nanoescala. Algunos estudios existentes han informado de la detección del magnetismo de los cristales a escala de micras, pero estas técnicas no sólo no proporcionan todavía información cuantitativa sobre la magnetización sino que también son muy propensas a interferir con la señal magnética que dificulta las muestras ultrafinas. Por tanto, la actualización de las técnicas de detección es un desafío muy urgente para sondear las propiedades magnéticas de los materiales a nanoescala. 

 

Para abordar este desafío, CIQTEK ofrece una nueva  medición de precisión cuántica , el microscopio cuántico de fuerza atómica de diamante (QDAFM), el microscopio NV de escaneo basado en técnicas de imágenes de escaneo AFM y centro NV de diamante. Mediante la manipulación cuántica y la lectura de los espines de los defectos del centro de vacancia de nitrógeno (NV) en los diamantes, se pueden lograr imágenes cuantitativas no destructivas de las propiedades magnéticas. Con la alta resolución espacial a escala nanométrica y la sensibilidad de detección ultra alta de espines individuales, se puede utilizar para detectar cuantitativamente propiedades magnéticas clave de los imanes de Van der Waals y realizar imágenes magnéticas de alta resolución espacial de su magnetización, defectos locales y propiedades magnéticas. dominios. Tiene las ventajas únicas de ser no invasivo, cubrir una amplia región de temperatura y un amplio rango de medición del campo magnético. Tiene una amplia gama de aplicaciones en ciencia cuántica, química y ciencia de materiales, así como en campos de investigación biológica y médica.

 

Diagrama de magnetización del yoduro de cromo bidimensional

Imagen referenciada de  Sondeo de magnetismo en materiales 2D a nanoescala con microscopía de un solo giro (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926)

 

A continuación, presentamos las  aplicaciones específicas de QDAFM  en imágenes por resonancia nanomagnética, imágenes por resonancia magnética superconductora, imágenes in situ de células y caracterización de estructuras magnéticas topológicas.

 

 

Microscopio de fuerza atómica de diamante cuántico CIQTEK

( La versión ambiental y la versión criogénica)

 

01 Imágenes por resonancia nanomagnética

Para los materiales magnéticos, determinar su distribución de espín estático es un problema importante en la física de la materia condensada y una clave para el estudio de nuevos dispositivos magnéticos. QDAFM proporciona un nuevo método que permite obtener imágenes magnéticas de alta resolución espacial con ventajas únicas, como la no invasividad, la cobertura de una amplia región de temperatura y un amplio rango de medición del campo magnético.

 

Imágenes de pared de dominio magnético tipo Bloch

Imagen referenciada de  Tetienne, JPet al. La naturaleza de las paredes de dominio en ferroimanes ultrafinos revelada mediante nanomagnetometría de barrido. Comunicaciones de la naturaleza6, 6733(2015)

 

02 Imágenes por resonancia magnética superconductora

Los estudios a microescala de superconductores y sus vórtices pueden proporcionar información importante para comprender el mecanismo de la superconductividad. Utilizando QDAFM que funciona a bajas temperaturas, se pueden realizar estudios de imágenes cuantitativos de vórtices magnéticos de superconductores y ampliarlos a mediciones magnéticas de numerosos sistemas de materia condensada a baja temperatura.

 

Imágenes cuantitativas de campos espurios de vórtices magnéticos únicos

Imagen con referencia de  Thiel, L.et al. Imágenes cuantitativas de vórtices a nanoescala utilizando un magnetómetro cuántico criogénico. Nanotecnología de la Naturaleza 11,677- 681 (2016).

 

03 Imágenes de células in situ 

Lograr imágenes moleculares a nanoescala in situ en células es una herramienta importante para la investigación biológica. Entre las muchas técnicas de obtención de imágenes, la resonancia magnética, que puede adquirir de forma rápida y no destructiva imágenes de la distribución del espín en el cuerpo de la muestra, se ha utilizado ampliamente en varios campos científicos. Especialmente en medicina clínica, juega un papel importante en el estudio, diagnóstico y tratamiento mecanicista de enfermedades porque casi no es invasivo para los organismos vivos. Sin embargo, las técnicas convencionales de imágenes por resonancia magnética utilizan bobinas de inducción magnética como sensores con límites de resolución espacial superiores a las micras y no pueden realizar imágenes intracelulares a escala molecular.

Utilizando las propiedades de alta resolución espacial de QDAFM, los investigadores observaron la ferritina presente en orgánulos dentro de las células con una resolución de 10 nm.

 

Imágenes nanomagnéticas de células in situ moléculas de ferritina

Imagen referenciada de  Wang, P. et al. Imágenes magnéticas a nanoescala de ferritinas en una sola celda. La ciencia avanza 5, 8038 (2019).

 

04 Caracterización topológica de estructuras magnéticas

Los skyrmions magnéticos son estructuras magnéticas de vórtice a nanoescala con propiedades topológicamente protegidas. Los skyrmions magnéticos exhiben una gran cantidad de física novedosa y proporcionan una nueva plataforma para el estudio de la espintrónica topológica, y también tienen aplicaciones potenciales en futuros dispositivos de memoria y computación no volátiles, de alta densidad y baja energía. Sin embargo, la detección de skyrmions individuales a temperatura ambiente sigue siendo un desafío experimental. Las características de alta sensibilidad y alta resolución de QDAFM son herramientas poderosas para resolver este desafío, y la estructura magnética de los skyrmions puede reconstruirse mediante mediciones de campos parásitos.

 

 

Imágenes del campo magnético de Skyrmions

Imagen referenciada de Dovzhenko, Y. et al. Giros magnetostáticos en skyrmions a temperatura ambiente explorados mediante la reconstrucción de la textura del espín del centro de nitrógeno vacante. Comunicaciones de la naturaleza 9, 2712 (2018).

 

Referencias:

1. Revista de Física, vol. 12 de septiembre de 2021, Tema especial sobre materiales magnéticos bidimensionales

2. Cristales magnéticos bidimensionales y dispositivos de heteroestructura emergente (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav4450)

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

4. Sondeo del magnetismo en materiales 2D a nanoescala con microscopía de un solo giro  ( Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aav6926 )