Магнитная обменно-силовая микроскопия с атомным разрешением

Упорядочение магнитных моментов (спинов) атомов в жёстких телах ведет к происхождению таких коллективных явлений, как, к примеру, антиферромагнетизм и ферромагнетизм.

Дабы разобраться в подробностях магнитного строения вещества на масштабе порядка нанометра, экспериментальную данные об ориентации спинов необходимо мочь приобретать с ядерным разрешением. Такую данные дает, в принципе, сканирующая спин-поляризационная микроскопия [1].

Но она годится лишь для проводящих материалов. Магнитная силовая микроскопия [2] применима как к металлам, так и к полупроводникам с диэлектриками и довольно часто употребляется для изучения доменной структуры. Но она не разрешает достигнуть ядерного разрешения, потому, что основана на дальнодействующих магнитоупругих силах.

Для устранения этого недочёта было предложено изготавливать иглу микроскопа из магнитного материала, что делает вероятным регистрацию короткодействующего обменного сотрудничества между поясницами поверхностных атомов и поясницами атомов, расположенных на острие иглы. Эта методика стала называться магнитной обменно-силовой микроскопии (Magnetic Exchange Force Microscopy, MExFM) [3].

Магнитная обменно-силовая микроскопия с атомным разрешениемРис.1. Схематическая иллюстрация MExFM. Ферромагнитная игла вблизи поверхности NiO

Первые попытки использования на практике MExFM не дали, но, желаемого результата: разрешающей свойстве выяснилось не хватает для определения ориентаций спинов отдельных атомов. В работе [4] германских физиков из Университета Гамбурга методика MExFM была усовершенствована следующим образом.

Иглу микроскопа, покрытую узким ферромагнитным слоем железа, помещали в параллельное ей магнитное поле с B = 5 Тл, которое ориентировало поясницы атомов Fe перпендикулярно поверхности исследуемого примера и усиливало тем самым их сотрудничество со поясницами поверхностных атомов. Игла микроскопа крепится к свободному финишу кантилевера и колеблется с резонансной частотой, которая зависит от силы, действующей на иглу со стороны примера. Сканирование на протяжении поверхности разрешает выяснить не только ее ядерную структуру, но и ориентацию спинов поверхностных атомов.

В работе [4] эта методика была апробирована на антиферромагнитном диэлектрике NiO, у которого поясницы атомов Ni в каждой ядерной плоскости {111} упорядочены ферромагнитным образом, а в каждой паре соседних плоскостей – антиферромагнитным (см. рис.). Внешнее поле не нарушает данный порядок, потому, что зеемановская энергия большое количество меньше энергии сотрудничества между поясницами атомов Ni.

Авторы [4] отмечают, что методика MExFM может употребляться для изучения не только статического спинового порядка, но и для изучения динамических процессов, а также прецессии спинов и спиновых волн. Она может оказать помощь и при ответе для того чтобы фундаментального вопроса, как микроскопический механизм обменного сотрудничества в том либо другом магнитном материале.

Динамическая Магнитно- силовая микроскопия. НТ-МДТ. AC Magnetic force microscopy. NT-MDT AFM SPM

Статьи, которые будут Вам интересны: