Explorar estructuras magnéticas con instrumentos basados en el diamante
Los científicos estudian el comportamiento de los espines y las cargas en los sistemas magnéticos por una razón: entender cómo se comportan estas propiedades permitirá crear tecnologías magnéticas más rápidas, pequeñas y eficientes desde el punto de vista energético. Aunque se utilizan varias técnicas potentes para estudiar las estructuras magnéticas, la mayoría tienen inconvenientes restrictivos. Una tecnología en concreto que destaca por su forma muy sensible y versátil de estudiar los sistemas magnéticos es la magnetometría basada en el espín de los electrones correspondientes a los defectos del nitrógeno-vacante (N-V) en el diamante. Los magnetómetros de diamante pueden funcionar a una temperatura desde criogénica hasta ambiental, disponen de un rango dinámico que abarca desde la corriente continua hasta los gigahercios y dan cabida a distancias nanométricas entre sensor y muestra. Por tanto, la magnetometría basada en N-V permite a los científicos estudiar fenómenos magnéticos y electrónicos estáticos y dinámicos con una resolución espacial a nanoescala. Mediante esta tecnología, un equipo internacional de investigadores ha presentado una modalidad de imagenología que permite detectar tanto la magnetización como los campos magnéticos parásitos resultantes. La modalidad en cuestión es imagenología magnética de campo amplio combinada con opciones de detección magnetoóptica. Con el apoyo de los proyectos ASTERIQS y 3D MAGiC, financiados con fondos europeos, el equipo utilizó este sistema para obtener imágenes de dominios de bandas magnéticas en estructuras ferromagnéticas multicapa. Sus resultados se publicaron en la revista «Physical Review Applied». La investigación corrió a cargo de Dmitry Budker, físico en la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, quien también dirigió Dark-OsT, un proyecto financiado con fondos europeos en el que ya se utilizó la magnetometría, en esa ocasión para hallar firmas en el sector oscuro. El sistema de imagenología que se utiliza en la investigación actual «consiste en un microscopio epifluorescente sensible a la polarización que incorpora un sensor de diamante y hace uso de la radiación requerida para las mediciones magnetométricas con el fin de medir el efecto Kerr magnetoóptico (MOKE, por sus siglas en inglés)», afirman los autores en el estudio. «Un instrumento de este tipo —añaden— permite detectar conjuntamente la magnetización y sus campos magnéticos parásitos resultantes, a la vez que resulta no perturbador a nivel magnético y admite un amplio rango de temperaturas, lo que lo convierte en una herramienta ideal para estudiar las estructuras magnéticas y su dinámica en una amplia gama de condiciones ambientales». Las mediciones del MOKE permiten detectar momentos magnéticos de forma indirecta, por medio de los cambios en la polarización de la luz cuando se refleja en una superficie magnética. La señal de polarización se traduce luego en magnetización mediante la constante de Kerr propia del material.
Ampliar las técnicas existentes
Al mostrar que añadir el análisis de la polarización puede incorporar también información sobre la magnetización de la muestra, los investigadores han conseguido ampliar las técnicas recientes de imagenología magnética N-V utilizadas para estudiar los sistemas magnéticos. «Es posible ampliar la configuración experimental actual para las partes de las imágenes basadas tanto en MOKE como en N-V», observan los autores. «La imagenología basada en N-V, por ejemplo, puede hacerse extensiva al régimen de campo cero... o incluso utilizarse en una modalidad libre [de microondas]. Además, la configuración puede extenderse a las mediciones de MOKE longitudinales y transversales, es decir, la medición de magnetizaciones en el plano, por medio de iluminar la muestra con cierto ángulo. Lo principal es que la iluminación en ángulo permite adquirir imágenes N-V y MOKE de forma realmente simultánea, ya que el haz reflejado y la fluorescencia se detectan en zonas diferentes de la cámara (o se obtienen imágenes de forma independiente desde sus respectivas rutas ópticas)». Este trabajo podría dar lugar a nuevos conocimientos sobre la física de la materia condensada y las estructuras ferromagnéticas. ASTERIQS (Advancing Science and TEchnology thRough dIamond Quantum Sensing) y Dark-OsT (Experimental Searches for Oscillating and Transient effects from the Dark Sector) finalizan en 2021. 3D MAGiC (Three-dimensional magnetization textures: Discovery and control on the nanoscale) continuará hasta junio de 2026. Para más información, consulte: Sitio web del proyecto ASTERIQS Proyecto 3D MAGiC Proyecto Dark-OsT
Palabras clave
ASTERIQS, 3D MAGiC, Dark-OsT, magnético, N-V, nitrógeno-vacante, diamante, magnetometría