激光驅動(dòng)顯微鏡以納米級分辨率分析磁性微結構

以高分辨率分析磁性納米結構是一項測試和測量挑戰，但它對于高級物理學(xué)見(jiàn)解以及高密度硬盤(pán)和磁帶驅動(dòng)器等實(shí)際產(chǎn)品都非常重要。自旋電子器件的小型化需要將單個(gè)磁性實(shí)體密集封裝，但當使用納米級鐵磁體時(shí)，由于相鄰比特之間的相互作用而導致的雜散場(chǎng)是堆積密度的主要限制。

[順便說(shuō)一句，如果您認為磁帶存儲是計算機“恐龍時(shí)代”的過(guò)時(shí)遺物，請再想一想：磁帶驅動(dòng)器仍然廣泛用于存檔存儲和異地備份;這是一個(gè)巨大且快速增長(cháng)的市場(chǎng)，每年增長(cháng)約 10%，提供超高密度盒式磁帶和帶有拾取和放置機架的自動(dòng)化機器人磁帶處理系統。

哈勒-維滕貝格馬丁路德大學(xué) （MLU） 和哈勒馬克斯普朗克微結構物理研究所的研究人員開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)，旨在解決磁性顯微鏡和分辨率問(wèn)題，使研究人員能夠以大約 70 nm 的分辨率分析磁性納米結構，而普通光學(xué)顯微鏡的分辨率僅為 500 nm。他們的結果對于開(kāi)發(fā)基于 spin electronics 的新型節能存儲技術(shù)非常重要。

使用納米級鐵磁體時(shí)，由于相鄰比特之間的相互作用引起的雜散場(chǎng)是堆積密度的主要限制。自第一個(gè)自旋電子學(xué)傳感器和磁性隨機存取存儲器以來(lái)，一個(gè)優(yōu)雅的解決方案是創(chuàng )建由薄鐵磁層形成的合成反鐵磁體。這些層通過(guò)薄的金屬反鐵磁 （AF） 耦合層耦合。

最近，人們對將 innately AF 材料用于自旋電子學(xué)應用的興趣越來(lái)越大，因為這些材料沒(méi)有雜散場(chǎng)。然而，由于沒(méi)有雜散場(chǎng)，因此很難計算 AF 域的大小以及圖像。通常，人們可以理解這些材料在亞微米尺度上表現出疇結構。

新型自旋電子學(xué)方法的固體物理學(xué)

這項新技術(shù)利用了幾個(gè)鮮為人知但重要的固態(tài)物理原理（這里的固態(tài)并不是指硅和電子學(xué)中使用的類(lèi)似器件）;如果您不熟悉或忘記了這些原理，請參閱本文末尾的“感興趣的物理原理”側邊欄，了解這些原理的摘要。

他們的方法通過(guò)使用異常能斯特效應 （ANE） 和金屬納米級尖端來(lái)克服光學(xué)限制。ANE 在磁性金屬中產(chǎn)生垂直于磁化強度的電壓以及溫度梯度（圖 1）。

ACS 納米 2024， 18， 46， 31949-31956圖1. （a） ANE 成像方法的示意圖。VANE 由橙色箭頭表示的磁化強度的橫向分量和紅色箭頭表示的垂直溫度梯度給出。（b） 在 40 和 ?40 mT 的視場(chǎng)中，V ANE 在寬度為 w = 10 μm 的器件上的線(xiàn)掃描。該設備由波長(cháng)為 532 nm 的 5 mW 激光束照射，由 60× （NA = 0.7） 物鏡聚焦。插圖顯示了用于測量的器件結構的原理圖。（c，d）如圖所示，在不同器件結構中穩定下來(lái)的多域狀態(tài)的 Kerr 和掃描 ANE （SANE） 顯微鏡圖像。

激光束聚焦在力顯微鏡的尖端，在樣品表面產(chǎn)生空間上僅限于納米級的溫度梯度。金屬尖端的作用類(lèi)似于天線(xiàn)，將電磁場(chǎng)聚焦在其頂點(diǎn)下方的一個(gè)小區域上。這使得 ANE 測量的分辨率比傳統光學(xué)顯微鏡所允許的要好得多。

他們使用顯微鏡物鏡聚焦的激光束來(lái)產(chǎn)生溫度梯度，同時(shí)橫向掃描樣品進(jìn)行成像。通過(guò)使用激光加熱產(chǎn)生可以在整個(gè)樣品上進(jìn)行光柵掃描的局部溫度梯度 （ΔT），ANE 產(chǎn)生的電壓 （VANE） 的空間分辨測量能夠對鐵磁體和反鐵磁體中的磁疇進(jìn)行成像。

將 15 nm 厚的面內 （IP） 磁化 Co20Fe60B20 薄膜圖案化成 10 μm 寬的導線(xiàn)（稱(chēng)為跑道納米線(xiàn)），并沿導線(xiàn)寬度施加磁場(chǎng)。當激光束穿過(guò)導線(xiàn)進(jìn)行掃描時(shí)，他們觀(guān)察到了幾毫伏左右的 VANE 信號。

將這種方法應用于磁渦旋的納米級自旋織構，使他們能夠了解熱梯度的空間擴散（圖 2）。磁渦流結構導致 IP 磁化強度非?？焖傩D，因為渦流芯的寬度只有幾納米。結果是整個(gè)渦旋中相反的面內磁化方向之間的納米級轉變。

ACS 納米 2024， 18， 46， 31949-31956圖2. （a） 3 × 3 μm2 方形器件的 AFM 高度掃描。（b） 同時(shí)測量的二次諧波 ANE 電壓。外部虛線(xiàn)方塊表示設備的邊緣。（c） （b） 中內部實(shí)心方塊所示的磁渦周?chē)鷧^域的高分辨率 ANE 掃描。（d） 在 （c） 所示的虛線(xiàn)矩形區域中測得的 8 次線(xiàn)掃描的平均 ANE 信號（藍色數據點(diǎn) - 左軸 - 顯示在穿過(guò)渦流中心的線(xiàn)掃描中測得的 ANE 信號，如 （c） 中的虛線(xiàn)所示）。該線(xiàn)掃描數據配有具有線(xiàn)性背景（黑線(xiàn)）的誤差函數。然后將擬合誤差函數的導數繪制為綠線(xiàn)（右軸）。

通過(guò)渦流的 ANE 線(xiàn)掃描使該團隊能夠計算熱梯度的空間分布，該分布由 ANE 線(xiàn)掃描的導數給出。給定磁線(xiàn)中 ANE 電壓的大小與導致加熱導線(xiàn)的總吸收功率成正比，與導線(xiàn)寬度成反比。ANE 信號的幅度與所有其他幾何因子無(wú)關(guān)。

為什么基于激光的加熱是有益的

ANE 顯微鏡中使用的基于激光的加熱具有多種優(yōu)勢。首先，整個(gè)吸收的能量直接加熱導線(xiàn)，而電阻加熱方法則相反，大部分熱能都散在其他地方。其次，由于電壓與線(xiàn)寬成反比，因此使用 ANE 顯微鏡研究窄線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生更大的信號。

這種方法還有其他好處。以前的研究只調查了樣品平面中的磁極化。然而，根據研究小組的說(shuō)法，面內溫度梯度也很重要，它允許使用 ANE 測量來(lái)探測面外極化。最后，由于 ANE 信號與溫度梯度成正比，研究人員可以考慮逆問(wèn)題并推斷有關(guān)納米級溫度分布的信息。

這是一個(gè)復雜且有些深奧的項目，幾乎可能會(huì )與魔法混淆，但它確實(shí)有一些現實(shí)世界的研發(fā)影響。詳細信息在他們發(fā)表在 ACS Nano（美國化學(xué)學(xué)會(huì )）上的論文“基于磁納米結構的異常 Nernst 效應近場(chǎng)成像”中。

感興趣的物理原理

• 異常能斯特效應 （ANE）：當施加溫度梯度時(shí)，在磁性材料中產(chǎn)生電壓的現象。電壓垂直于熱流和磁化強度。

• 反鐵磁自旋電子器件：這些材料具有內部有序的磁矩，但相鄰的磁矩指向相反的方向，導致凈磁化強度為零。這意味著(zhù)它們對外部磁場(chǎng)不敏感，不會(huì )產(chǎn)生雜散場(chǎng)，使它們更堅固且不易受到干擾。

• 磁渦旋：當電子自旋在平面內繞圈旋轉時(shí)，就會(huì )形成磁渦旋。在圓的中心，漩渦變小，最終核心的磁化強度向平面外傾斜，類(lèi)似于龍卷風(fēng)。

• Racetrack 納米線(xiàn)：一種用于非易失性存儲器（稱(chēng)為賽道）的微小磁線(xiàn)，旨在將數據存儲為一系列磁疇（位），這些磁疇可以像賽道上的汽車(chē)一樣沿著(zhù)磁疇移動(dòng)。

• 自旋電子學(xué)：也稱(chēng)為自旋電子學(xué)，這是一種固態(tài)器件技術(shù)，除了更熟悉的電子電荷外，還利用電子的固有自旋特性及其相關(guān)的磁矩。