De nouveaux horizons pour les matériaux magnétiques 2D - Applications AFM du centre Quantum Diamond NV

Depuis des siècles, l’humanité explore sans relâche le magnétisme et les phénomènes qui y sont associés. Aux débuts de l'électromagnétisme et de la mécanique quantique, il était difficile pour les humains d'imaginer l'attraction des aimants sur le fer et la capacité des oiseaux, des poissons ou des insectes à naviguer entre des destinations distantes de plusieurs milliers de kilomètres - des phénomènes étonnants et intéressants avec le même phénomène. origine magnétique. Ces propriétés magnétiques proviennent de la charge en mouvement et du spin des particules élémentaires, aussi répandues que les électrons. 

 

Les matériaux magnétiques bidimensionnels sont devenus un point chaud de recherche d’un grand intérêt et ouvrent de nouvelles directions pour le développement de dispositifs spintroniques, qui ont des applications importantes dans les nouveaux dispositifs optoélectroniques et dispositifs spintroniques. Récemment, Physics Letters 2021, n° 12, a également lancé un dossier spécial sur les matériaux magnétiques 2D, décrivant les progrès des matériaux magnétiques 2D en théorie et dans les expériences sous différents angles. 

 

Un matériau magnétique bidimensionnel de seulement quelques atomes d’épaisseur peut servir de substrat pour de très petits composants électroniques en silicium. Ce matériau étonnant est constitué de paires de couches ultrafines empilées par les forces de Van der Waals, c'est-à-dire les forces intermoléculaires, tandis que les atomes à l'intérieur des couches sont reliés par des liaisons chimiques. Bien qu’il ne soit que d’épaisseur atomique, il conserve néanmoins des propriétés physiques et chimiques en termes de magnétisme, d’électricité, de mécanique et d’optique.

 

 

Matériaux magnétiques bidimensionnels

Image référencée depuis https://phys.org/news/2018-10-flexy-flat-Functional-magnets.html

 

Pour utiliser une analogie intéressante, chaque électron dans un matériau magnétique bidimensionnel est comme une petite boussole avec un pôle nord et sud, et la direction de ces « aiguilles de boussole » détermine l’intensité de magnétisation. Lorsque ces « aiguilles de boussole » infinitésimales s’alignent spontanément, la séquence magnétique constitue la phase fondamentale de la matière, permettant ainsi la préparation de nombreux dispositifs fonctionnels, tels que des générateurs et des moteurs, des mémoires magnétorésistives et des barrières optiques. Cette propriété étonnante a également rendu les matériaux magnétiques bidimensionnels très chauds. Même si les processus de fabrication de circuits intégrés s’améliorent, ils sont déjà limités par les effets quantiques dus au rétrécissement des dispositifs. L'industrie microélectronique a rencontré des goulots d'étranglement tels qu'une faible fiabilité et une consommation d'énergie élevée, et la loi de Moore, qui dure depuis près de 50 ans, a également rencontré des difficultés (loi de Moore : le nombre de transistors pouvant être logés sur un circuit intégré double en environ tous les 18 mois). Si les matériaux magnétiques bidimensionnels peuvent être utilisés à l’avenir dans le domaine des capteurs magnétiques, des mémoires aléatoires et d’autres nouveaux dispositifs de spintronique, il sera peut-être possible de briser le goulot d’étranglement des performances des circuits intégrés. 

 

Nous savons déjà que les cristaux magnétiques de Van der Waals sont porteurs d'effets magnétoélectriques particuliers. Les études magnétiques quantitatives constituent donc une étape essentielle dans la recherche de matériaux magnétiques bidimensionnels. Cependant, les études expérimentales quantitatives sur la réponse magnétique de tels aimants à l’échelle nanométrique font encore très défaut. Certaines études existantes ont rapporté la réalisation de la détection du magnétisme cristallin à l'échelle du micron, mais ces techniques non seulement ne fournissent pas encore d'informations quantitatives sur la magnétisation, mais sont également très susceptibles d'interférer avec le signal magnétique qui gêne les échantillons ultra-minces. La mise à jour des techniques de détection constitue donc un défi très urgent pour sonder les propriétés magnétiques des matériaux à l’échelle nanométrique. 

 

Pour relever ce défi, CIQTEK propose une nouvelle  mesure de précision quantique , le Quantum Diamond Atomic Force Microscope (QDAFM), le microscope à balayage NV basé sur les techniques d'imagerie à balayage Diamond NV-center et AFM. Grâce à la manipulation quantique et à la lecture des spins des défauts centraux des lacunes d'azote (NV) dans les diamants, une imagerie quantitative non destructive des propriétés magnétiques peut être obtenue. Grâce à la haute résolution spatiale à l'échelle nanométrique et à la sensibilité de détection ultra-élevée des spins individuels, il peut être utilisé pour détecter quantitativement les propriétés magnétiques clés des aimants de van der Waals et réaliser une imagerie magnétique à haute résolution spatiale de leur magnétisation, de leurs défauts locaux et de leurs propriétés magnétiques. domaines. Il présente les avantages uniques d’être non invasif, de couvrir une large plage de températures et une large plage de mesure du champ magnétique. Il a un large éventail d’applications dans les domaines de la science quantique, de la chimie et de la science des matériaux, ainsi que dans les domaines de la recherche biologique et médicale.

 

Diagramme de magnétisation de l'iodure de chrome bidimensionnel

Image référencée par  Sonder le magnétisme dans des matériaux 2D à l'échelle nanométrique avec microscopie à spin unique (Science, 2019, DOI : 10.1126/science.aav6926)

 

Dans ce qui suit, nous présentons les  applications spécifiques du QDAFM  dans l’imagerie par résonance nanomagnétique, l’imagerie par résonance magnétique supraconductrice, l’imagerie in situ des cellules et la caractérisation de la structure magnétique topologique.

 

 

Microscope à force atomique à diamant quantique CIQTEK

(La version ambiante et la version cryogénique)

 

01 Imagerie par résonance nanomagnétique

Pour les matériaux magnétiques, la détermination de leur distribution de spin statique constitue un problème important en physique de la matière condensée et une clé pour l’étude de nouveaux dispositifs magnétiques. QDAFM fournit une nouvelle méthode qui permet une imagerie magnétique à haute résolution spatiale avec des avantages uniques tels que le caractère non invasif, la couverture d'une large région de température et une large plage de mesure du champ magnétique.

 

Imagerie murale à domaine magnétique de type Bloch

Image référencée par  Tétienne, JPet al. La nature des parois de domaine dans les ferromagnétiques ultraminces révélée par nanomagnétométrie à balayage. Communications sur la nature6, 6733 (2015)

 

02 Imagerie par résonance magnétique supraconductrice

Les études à l'échelle microscopique des supraconducteurs et de leurs vortex peuvent fournir des informations importantes pour comprendre le mécanisme de la supraconductivité. Grâce au QDAFM fonctionnant à basse température, des études d'imagerie quantitative des vortex magnétiques des supraconducteurs peuvent être réalisées et étendues aux mesures magnétiques de nombreux systèmes de matière condensée à basse température.

 

Imagerie quantitative des champs parasites de vortex magnétiques uniques

Image référencée par  Thiel, L. et al. Imagerie quantitative du vortex à l'échelle nanométrique à l'aide d'un magnétomètre quantique cryogénique. Nature Nanotechnologie 11 677-681 (2016).

 

03 Imagerie Cellulaire In Situ 

La réalisation d’une imagerie moléculaire à l’échelle nanométrique in situ dans les cellules est un outil important pour la recherche biologique. Parmi les nombreuses techniques d'imagerie, l'imagerie par résonance magnétique, qui permet d'acquérir rapidement et de manière non destructive des images de la distribution des spins dans le corps de l'échantillon, a été largement utilisée dans plusieurs domaines scientifiques. En médecine clinique notamment, il joue un rôle important dans l’étude mécaniste, le diagnostic et le traitement des maladies car il est presque non invasif pour les organismes vivants. Cependant, les techniques conventionnelles d’imagerie par résonance magnétique utilisent des bobines d’induction magnétique comme capteurs avec des limites de résolution spatiale supérieures au micron et sont incapables d’effectuer une imagerie intracellulaire à l’échelle moléculaire.

Utilisant les propriétés de haute résolution spatiale de QDAFM, les chercheurs ont observé la ferritine présente dans les organites à l’intérieur des cellules avec une résolution de 10 nm.

 

Imagerie nanomagnétique des cellules in situ, molécules de ferritine

Image référencée par  Wang, P. et al. Imagerie magnétique à l’échelle nanométrique des ferritines dans une seule cellule. Avancées scientifiques 5, 8038 (2019).

 

04 Caractérisation des structures magnétiques topologiques

Les skyrmions magnétiques sont des structures magnétiques vortex à l'échelle nanométrique avec des propriétés topologiquement protégées. Les skyrmions magnétiques présentent une richesse de physique nouvelle et fournissent une nouvelle plate-forme pour l'étude de la spintronique topologique, et ont également des applications potentielles dans les futurs dispositifs informatiques et de mémoire à haute densité, à faible consommation d'énergie et non volatiles. Cependant, la détection de skyrmions individuels à température ambiante reste un défi expérimental. Les fonctionnalités haute sensibilité et haute résolution de QDAFM sont des outils puissants pour résoudre ce défi, et la structure magnétique des skyrmions peut être reconstruite par des mesures de champs parasites.

 

 

Imagerie du champ magnétique Skyrmions

Image référencée par Dovzhenko, Y. et al. Torsades magnétostatiques dans les skyrmions à température ambiante explorées par reconstruction de la texture du spin central des lacunes d'azote. Nature Communications 9, 2712 (2018).

 

Les références:

1. Journal de physique, Vol. 12, 2021, Thème spécial sur les matériaux magnétiques bidimensionnels

2. Cristaux magnétiques bidimensionnels et dispositifs émergents à hétérostructure (Science, 2019, DOI : 10.1126/science.aav4450)

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

4. Sonder le magnétisme dans les matériaux 2D à l'échelle nanométrique avec la microscopie à spin unique  ( Science, 2019, DOI : 10.1126/science.aav6926 )