Microscopie à sonde à balayage à centre NV en antiferromagnétisme - Application Quantum Diamond NV-AFM

Qu’est-ce qu’un matériau antiferromagnétique ?

 

Figure 1 : Disposition des moments magnétiques dans les antiferromagnétiques

 

Les propriétés courantes du fer sont le ferromagnétisme, la ferroélectricité et la ferroélasticité. Les matériaux possédant simultanément deux ou plusieurs propriétés du fer sont appelés matériaux multiferroïques. Les multiferroïques ont généralement de fortes propriétés de couplage du fer, c'est-à-dire qu'une propriété du fer du matériau peut moduler une autre propriété du fer, par exemple en utilisant un champ électrique appliqué pour moduler les propriétés ferroélectriques du matériau et ainsi affecter les propriétés ferromagnétiques du matériau. De tels matériaux multiferroïques devraient constituer la prochaine génération de dispositifs électroniques de spin. Parmi eux, les matériaux antiferromagnétiques ont été largement étudiés car ils présentent une bonne robustesse au champ magnétique appliqué.

 

L'antiferromagnétisme est une propriété magnétique d'un matériau dans lequel les moments magnétiques sont disposés dans un ordre décalé antiparallèle et ne présentent pas de moment magnétique net macroscopique. Cet état magnétiquement ordonné est appelé antiferromagnétisme. À l’intérieur d’un matériau antiferromagnétique, les spins des électrons de valence adjacents ont tendance à être dans des directions opposées et aucun champ magnétique n’est généré. Les matériaux antiferromagnétiques sont relativement rares et la plupart d'entre eux n'existent qu'à basse température, comme les oxydes ferreux, les alliages de ferromanganèse, les alliages de nickel, les alliages de terres rares, les borures de terres rares, etc. Cependant, il existe également des matériaux antiferromagnétiques à température ambiante, comme BiFeO3, qui fait actuellement l'objet de recherches approfondies.

 

Perspectives d'application des matériaux antiferromagnétiques

La connaissance de l'antiferromagnétisme est principalement due au développement de la technologie de diffusion des neutrons permettant de « voir » l'agencement des spins dans les matériaux et ainsi confirmer l'existence de l'antiferromagnétisme. Peut-être que le prix Nobel de physique a incité les chercheurs à se concentrer sur les matériaux antiferromagnétiques et que la valeur de l'antiferromagnétisme a été progressivement explorée.

 

Les matériaux antiferromagnétiques sont moins sensibles à l'ionisation et aux interférences du champ magnétique et ont des fréquences propres et des fréquences de transition d'état plusieurs ordres de grandeur supérieures à celles des matériaux ferromagnétiques typiques. L'ordre antiferromagnétique dans les semi-conducteurs est plus facilement observé que l'ordre ferromagnétique. Ces avantages font des matériaux antiferromagnétiques un matériau attractif pour la spintronique.

 

La nouvelle génération de mémoire vive magnétique utilise des méthodes électriques pour écrire et lire des informations sur des ferromagnétiques, ce qui peut réduire l'immunité des ferromagnétiques et ne favorise pas un stockage stable des données, et les champs parasites des matériaux ferromagnétiques peuvent constituer un obstacle important pour les systèmes hautement intégrés. souvenirs. En revanche, les antiferromagnétiques ont une magnétisation nette nulle, ne génèrent pas de champs parasites et sont insensibles aux champs externes. Par conséquent, la mémoire basée sur un antiferromagnétique résout parfaitement le problème de la mémoire ferromagnétique et devient un matériau de mémoire potentiel très attractif.

 

 

Figure 2 : Mémoire vive magnétique (image provenant d'Internet)

 

Observation des domaines antiferromagnétiques

L'étude des domaines antiferromagnétiques est indissociable des techniques d'observation. Les moyens courants d'observation des domaines magnétiques sont la microscopie à force magnétique (MFM), qui utilise la pointe d'une aiguille magnétique pour enregistrer la force du champ magnétique sur la surface de l'échantillon à l'aide de techniques de microscopie à force atomique ; La microscopie à rayons X, qui repose sur le principe selon lequel le taux d'absorption des rayons X peut refléter le champ magnétique de l'échantillon ; et la microscopie magnéto-optique Kerr (Moke), qui utilise l'effet Kerr magnéto-optique pour mesurer la distribution de magnétisation. Bien que les techniques de chaque méthode d'imagerie aient été développées à la perfection, ces moyens sont insuffisants en termes de sensibilité pour atteindre une détection mono-spin en raison du faible magnétisme antiferromagnétique, et il est difficile d'observer la structure du domaine magnétique des antiferromagnétiques.

 

Ces dernières années, une structure particulière de défauts dans les diamants, le centre Nitrogen-Vacancy (NV), a attiré l'attention de nombreux chercheurs. Le microscope à sonde à balayage à centre NV intègre le centre NV en diamant dans la pointe de la sonde AFM et combine la technique de balayage AFM pour obtenir les résultats du domaine magnétique à la surface de l'échantillon, ce qui présente les avantages d'une haute sensibilité (1 T/ Hz1/2), résolution spatiale (10 nm) et caractère non invasif. résolution (10 nm) et caractère non invasif.

 

La ferrite de bismuth BiFeO3 (BFO) appartient à une classe de matériaux multiferroïques présentant une ferroélectricité et un antiferromagnétisme accompagnés d'un ferromagnétisme faible et constitue l'un des points chauds actuels dans la recherche de matériaux multiferroïques. Des études de diffraction de neutrons à haute résolution ont révélé que le BFO possède une structure magnétique spatiale d'une période de 64 nm. En 2017, I. Gross et al. observé la séquence antiferromagnétique dans les films BFO à température ambiante à l'aide de la microscopie à sonde à balayage central NV, et les résultats expérimentaux ont observé une structure magnétique de pendule de spin avec une période d'environ 70 nm, comme le montre la figure 3.

 

Figure 3 : Structure magnétique périodique du BFO observée par I. Gross et al. utilisant la microscopie à sonde à balayage NV-center

(Source de l'image : I.Gross et al. Imagerie en espace réel d'ordre antiferromagnétique non colinéaire avec un magnétomètre à un seul spin, Nature, 2017, 549 : 252)

 

Figure 4 : Observation de structures antiferromagnétiques et de skyrmions par microscopie à sonde à balayage centré NV par F. Aurore et al.

(Source de l'image : F. Aurore et al. Imagerie de textures antiferromagnétiques non colinéaires via relaxométrie à spin unique, Nature communications, 2012, 12:767)

 

Par ailleurs, en 2021, F. Aurore et al. de la même manière, la microscopie à sonde à balayage du centre NV a été utilisée pour observer des structures magnétiques telles que les parois du domaine magnétique et les skyrmions dans des antiferromagnétiques synthétiques, comme le montre la figure 4. Les résultats de cette expérience suggèrent que la technique de microscopie à sonde à balayage du centre NV peut être étendue à d'autres antiferromagnétiques. , offrant de nouvelles opportunités pour étudier les ondes de spin magnétiques locales.

 

 

Figure 5 : Étude en microscopie à sonde à balayage NV-center des domaines antiferromagnétiques CuMnAs

( Source de l'image : MS Wörnle et al. Fragmentation induite par le courant des domaines antiferromagnétiques arXiv : 2019, 1912.05287)

 

MS Wörnle a utilisé la microscopie à sonde à balayage NV-center pour étudier l'effet des impulsions de courant sur la configuration structurelle des domaines antiferromagnétiques de CuMnAs, montrant que d'importants changements de résistance sont associés à une fragmentation à l'échelle nanométrique des domaines magnétiques induite par l'écriture d'impulsions de courant. Il est en outre démontré que les changements induits par le courant dans la structure du domaine magnétique sont inhomogènes en imagerie de la distribution de la densité de courant dans des microdispositifs CuMnAs à géométries croisées.

 

 

Figure 6 : Microscopie à sonde à balayage centrale NV pour le Cr2O3 antiferromagnétique

(Source de l'image : WS Huxter et al. Gradiométrie à balayage avec un magnétomètre quantique à spin unique, arXiv : 2202.09130v1)

 

De plus, le Cr2O3 est un matériau multiferroïque signalé très tôt et antiferromagnétique à température ambiante. En 2022, WS Huxter et al. images mesurées de distributions de champs magnétiques statiques de l'ordre du micro-Tesla sur des marches atomiques à la surface du Cr2O3, en utilisant la technique de balayage par gradient de microscopie à sonde à balayage central NV.

 

Les avantages de la microscopie à sonde à balayage NV-center sont la haute sensibilité d’un seul spin (1uT/Hz1/2) et la résolution spatiale à l’échelle nanométrique (10 nm). De plus, les centres NV en diamant sont très légers, thermiquement stables et respectueux de l'environnement, permettant une imagerie magnétique quantitative et non destructive. Il fonctionne également dans un large éventail de conditions, notamment à température ambiante, et convient parfaitement comme outil d’imagerie magnétique pour les sciences de la vie.

 

CIQTEK a lancé un microscope commercial à sonde à balayage central NV,  le Quantum Diamond Atomic Force Microscope (NV-AFM ou QDAFM) , qui présente les avantages d'être non invasif, couvrant une large plage de températures et une large plage de mesure de champ magnétique. Il peut être appliqué à l'imagerie magnétique matérielle bidimensionnelle, à l'imagerie à nano-courant, à l'imagerie magnétique à vortex supraconducteur et à l'imagerie magnétique cellulaire, et présente une large gamme d'applications dans les sciences quantiques, la chimie et la science des matériaux, ainsi que dans les domaines biologique et médical. domaines de recherche.

 

 

Figure 7 : Microscope à force atomique à diamant quantique CIQTEK (NV-AFM ou QDAFM)

(La version ambiante et la version cryogénique)