الفحص المجهري لمسبار المسح بمركز NV في المغناطيسية المضادة - تطبيق Quantum Diamond NV-AFM

ما هي المواد المضادة للمغناطيسية؟

 

الشكل 1: ترتيب العزم المغناطيسي في المغناطيسات المضادة

 

خصائص الحديد الشائعة هي المغناطيسية الحديدية، والكهرباء الحديدية، والمرونة الحديدية. تسمى المواد التي تحتوي على خواص حديدية أو أكثر في نفس الوقت بالمواد متعددة الحديد. عادةً ما تتمتع المواد الحديدية المتعددة بخصائص اقتران حديدية قوية، أي أن خاصية حديد واحدة للمادة يمكن أن تعدل خاصية حديد أخرى، مثل استخدام مجال كهربائي مطبق لتعديل الخواص الكهروضوئية للمادة وبالتالي التأثير على الخواص المغناطيسية الحديدية للمادة. ومن المتوقع أن تكون هذه المواد متعددة الحديد هي الجيل القادم من أجهزة الدوران الإلكترونية. من بينها، تمت دراسة المواد المضادة للمغناطيسية على نطاق واسع لأنها تظهر متانة جيدة للمجال المغناطيسي المطبق.

 

المغناطيسية المضادة هي خاصية مغناطيسية لمادة يتم فيها ترتيب اللحظات المغناطيسية بترتيب متدرج مضاد للتوازي ولا تظهر عزمًا مغناطيسيًا صافيًا مجهريًا. تسمى هذه الحالة المرتبة مغناطيسيًا بالمغناطيسية المضادة. داخل المادة المضادة للمغناطيسية الحديدية، تميل دوران إلكترونات التكافؤ المجاورة إلى أن تكون في اتجاهين متعاكسين ولا يتم إنشاء أي مجال مغناطيسي. المواد المضادة للمغناطيسية غير شائعة نسبيًا، ومعظمها لا يوجد إلا في درجات حرارة منخفضة، مثل أكسيد الحديدوز، وسبائك الحديد والمنغنيز، وسبائك النيكل، وسبائك الأرض النادرة، والبوريدات الأرضية النادرة، وما إلى ذلك. ومع ذلك، هناك أيضًا مواد مضادة للمغناطيسية في درجة حرارة الغرفة، مثل BiFeO3، والذي يخضع حاليًا لأبحاث ساخنة.

 

آفاق تطبيق المواد المضادة للمغناطيسية

تعود معرفة المغناطيسية الحديدية المضادة بشكل أساسي إلى تطور تقنية تشتت النيوترونات حتى نتمكن من "رؤية" ترتيب السبينات في المواد وبالتالي تأكيد وجود المغناطيسية الحديدية المضادة. ربما ألهمت جائزة نوبل في الفيزياء الباحثين للتركيز على المواد المضادة للمغناطيسية، وتم استكشاف قيمة المغناطيسية الحديدية المضادة تدريجيًا.

 

المواد المغناطيسية المضادة هي أقل عرضة للتأين وتداخل المجال المغناطيسي ولها ترددات ذاتية وترددات انتقالية للحالة أعلى بعدة مرات من المواد المغناطيسية المغناطيسية النموذجية. يمكن ملاحظة الترتيب المغناطيسي المضاد في أشباه الموصلات بسهولة أكبر من الترتيب المغناطيسي المغناطيسي. هذه المزايا تجعل المواد المضادة للمغناطيسية مادة جذابة للإلكترونيات السبينية.

 

يستخدم الجيل الجديد من ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسي الأساليب الكهربائية لكتابة وقراءة المعلومات إلى المغناطيسات الحديدية، مما قد يقلل من مناعة المغناطيسات الحديدية ولا يفضي إلى تخزين مستقر للبيانات، ويمكن أن تكون المجالات الضالة للمواد المغناطيسية الحديدية عقبة كبيرة أمام التكامل العالي ذكريات. في المقابل، فإن المغناطيسات المضادة لها مغنطة صافية صفر، ولا تولد مجالات ضائعة، وغير حساسة للمجالات الخارجية. لذلك، فإن الذاكرة المبنية على المغناطيس الحديدي المضاد تحل مشكلة الذاكرة المغناطيسية بشكل مثالي وتصبح مادة ذاكرة محتملة جذابة للغاية.

 

 

الشكل 2: ذاكرة الوصول العشوائي المغناطيسية (صورة من الإنترنت)

 

مراقبة المجالات المغناطيسية المضادة

لا يمكن فصل دراسة المجالات المغناطيسية المضادة عن تقنيات المراقبة. الوسائل الشائعة لمراقبة المجالات المغناطيسية هي الفحص المجهري للقوة المغناطيسية (MFM)، والذي يستخدم طرف إبرة مغناطيسية لتسجيل قوة المجال المغناطيسي على سطح العينة باستخدام تقنيات الفحص المجهري للقوة الذرية؛ الفحص المجهري بالأشعة السينية، والذي يعتمد على مبدأ أن معدل امتصاص الأشعة السينية يمكن أن يعكس المجال المغناطيسي للعينة؛ ومجهر كير المغناطيسي البصري (موك)، الذي يستخدم تأثير كير المغناطيسي البصري لقياس توزيع المغنطة. على الرغم من أن تقنيات كل طريقة تصوير قد تم تطويرها إلى حد الكمال، إلا أن هذه الوسائل غير كافية من حيث الحساسية للوصول إلى اكتشاف الدوران الفردي بسبب ضعف المغناطيسية المغناطيسية المضادة، ومن الصعب مراقبة بنية المجال المغناطيسي للمغناطيسات المضادة.

 

في السنوات الأخيرة، جذبت بنية العيوب الخاصة في الماس، مركز النيتروجين الشاغر (NV)، انتباه العديد من الباحثين. يدمج مجهر مسبار المسح المركزي NV مركز NV في الماس في طرف مسبار AFM ويجمع بين تقنية مسح AFM للحصول على نتائج المجال المغناطيسي على سطح العينة، والتي تتميز بمزايا الحساسية العالية (1 T/ هرتز1/2)، الدقة المكانية (10 نانومتر) وعدم الغزو. القرار (10 نانومتر) وعدم الغزو.

 

ينتمي البزموت الفريت BiFeO3 (BFO) إلى فئة من المواد متعددة الحديد ذات الكهرباء الحديدية والمغناطيسية المضادة المصحوبة بمغناطيسية حديدية ضعيفة وهي واحدة من النقاط الساخنة الحالية في أبحاث المواد متعددة الحديد. كشفت دراسات حيود النيوترونات عالية الدقة أن BFO له بنية مغناطيسية مكانية بفترة 64 نانومتر. في عام 2017، آي. جروس وآخرون. لاحظ التسلسل المضاد للمغناطيسية المغناطيسية في أفلام BFO في درجة حرارة الغرفة بمساعدة الفحص المجهري لمسبار المسح المركزي NV، ولاحظت النتائج التجريبية بنية مغناطيسية للبندول تدور بفترة تبلغ حوالي 70 نانومتر، كما هو موضح في الشكل 3.

 

الشكل 3: الهيكل المغناطيسي الدوري لـ BFO الذي لاحظه I. Gross et al. باستخدام المجهر مسبار المسح مركز NV

(مصدر الصورة: I.Gross et al. التصوير في الفضاء الحقيقي للنظام المغناطيسي الحديدي غير الخطي باستخدام مقياس مغناطيسي أحادي الدوران، Nature، 2017، 549:252)

 

الشكل 4: مراقبة الهياكل المغناطيسية المضادة والسكيرميونز باستخدام الفحص المجهري لمسبار المسح بمركز NV بواسطة F. Aurore et al.

(مصدر الصورة: F. Aurore et al. تصوير الأنسجة المضادة للمغناطيسية غير الخطية عبر قياس استرخاء الدوران الفردي، Nature communication، 2012، 12:767)

 

علاوة على ذلك، في عام 2021، ف. أورور وآخرون. يستخدم بالمثل الفحص المجهري لمسبار المسح في مركز NV لمراقبة الهياكل المغناطيسية مثل جدران المجال المغناطيسي والسكيرميونات في المغناطيسات المضادة الاصطناعية، كما هو مبين في الشكل 4. تشير نتائج هذه التجربة إلى أن تقنية الفحص المجهري لمسبار المسح في مركز NV يمكن توسيعها لتشمل مغناطيسات مضادة أخرى مما يوفر فرصًا جديدة لدراسة موجات الدوران المغناطيسية المحلية.

 

 

الشكل 5: الدراسة المجهرية لمسبار المسح في مركز NV للمجالات المضادة للمغناطيسية CuMnAs

( مصدر الصورة : MS Wörnle et al. التجزئة الحالية للمجالات المغناطيسية المضادة arXiv:2019, 1912.05287)

 

استخدم MS Wörnle الفحص المجهري لمسبار المسح بمركز NV لدراسة تأثير نبضات التيار على التكوين الهيكلي للمجالات المضادة للمغناطيسية CuMnAs، مما يوضح أن تغييرات المقاومة الكبيرة ترتبط بالتجزئة النانوية للمجالات المغناطيسية الناجمة عن كتابة نبضات التيار. تم إثبات أن التغييرات التي يسببها التيار في بنية المجال المغناطيسي غير متجانسة من خلال تصوير توزيع الكثافة الحالية في الأجهزة الدقيقة CuMnAs ذات الأشكال الهندسية المتقاطعة.

 

 

الشكل 6: الفحص المجهري لمسبار المسح في مركز NV لـ Cr2O3 المضاد للمغناطيسية

(مصدر الصورة: WS Huxter et al. مسح قياس التدرج باستخدام مقياس مغناطيسي كمي دوراني واحد، arXiv:2202.09130v1)

 

بالإضافة إلى ذلك، فإن Cr2O3 عبارة عن مادة متعددة الحديد تم اكتشافها مبكرًا وهي مضادة للمغناطيسية في درجة حرارة الغرفة. في عام 2022، WS Huxter وآخرون. صور مُقاسة لتوزيعات المجال المغناطيسي الثابت بترتيب ميكرو تيسلا على خطوات ذرية على سطح Cr2O3، باستخدام تقنية المسح المتدرج للفحص المجهري لمسبار المسح المركزي NV.

 

تتمثل مزايا الفحص المجهري لمسبار المسح المركزي في NV في الحساسية العالية لدوران واحد (1uT / Hz1 / 2) والاستبانة المكانية النانوية (10 نانومتر). بالإضافة إلى ذلك، فإن مراكز NV الماسية خفيفة جدًا ومستقرة حرارياً وصديقة للبيئة، مما يسمح بالتصوير المغناطيسي الكمي وغير المدمر. كما أنه يعمل في ظل مجموعة واسعة من الظروف، خاصة في درجة حرارة الغرفة، وهو مناسب تمامًا كأداة تصوير مغناطيسي لعلوم الحياة.

 

أطلقت CIQTEK مجهر مسبار مسح مركزي تجاري NV،  مجهر القوة الذرية الماسي الكمي (NV-AFM أو QDAFM) ، الذي يتميز بكونه غير جراحي، ويغطي نطاقًا واسعًا من درجات الحرارة ونطاقًا كبيرًا لقياس المجال المغناطيسي. يمكن تطبيقه على التصوير المغناطيسي المادي ثنائي الأبعاد، والتصوير بتيار النانو، والتصوير المغناطيسي الدوامي فائق التوصيل، والتصوير المغناطيسي الخلوي، وله مجموعة واسعة من التطبيقات في علوم الكم والكيمياء وعلوم المواد، بالإضافة إلى العلوم البيولوجية والطبية. مجالات البحث.

 

 

الشكل 7: مجهر القوة الذرية الماسي الكمي CIQTEK (NV-AFM أو QDAFM)

( النسخة المحيطة والنسخة المبردة)