L'ODMR con centro NV sblocca nuove possibilità per i materiali 2D e il rilevamento delle onde di spin

In sintesi

Tre team di ricerca hanno utilizzato gli strumenti CIQTEK ODMR, incluso il microscopio a sonda NV a scansione (SNVM) e lo spettrometro a singolo spin di diamante, per far progredire tre diverse aree della ricerca sui materiali avanzati.

Un team dell'Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, ha visualizzato le onde di spin nello spazio reale vicino a difetti magnetici e domini a strisce accoppiati antiferromagneticamente in film di YIG e LSMO. Hanno catturato lo scattering selettivo per lunghezza d'onda e, per la prima volta, una distorsione del fronte d'onda a zig-zag mentre le onde di spin attraversavano i domini a strisce.

Un team dell'University of Science and Technology of China ha rimosso il selenio dal 2D CuCrSe₂ tramite ricottura sottovuoto. Le vacanze di Se risultanti hanno prodotto ferromagnetismo a temperatura ambiente, mentre la struttura cristallina a strati è rimasta intatta.

Un team dell'Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, ha mappato come un campo magnetico trasversale mescola gli stati di spin dei centri NV, indebolisce la lettura ottica e sposta l'equilibrio tra gli stati di carica NV⁻ e NV⁰, tutti fattori importanti per mantenere stabili i sensori basati su NV in ambienti magnetici reali.

Perché è importante

La risonanza magnetica otticamente rilevata (ODMR) è al centro della scienza dello spin allo stato solido. È il modo in cui i ricercatori visualizzano i campi magnetici microscopici, come analizzano le dinamiche di spin e come trasformano un singolo difetto su scala atomica nel diamante in un sensore funzionante. I tre studi seguenti si sono basati sulla linea di prodotti ODMR di CIQTEK, che include il microscopio a sonda NV a scansione (SNVM) e lo spettrometro a singolo spin di diamante, per spingersi in territori che i vecchi strumenti non potevano raggiungere: imaging delle onde di spin, ferromagnetismo a temperatura ambiente nei materiali 2D e il comportamento di miscelazione dello spin dei centri NV stessi.

Ecco cosa ha scoperto ogni team e perché è importante per chiunque costruisca dispositivi magnonici, materiali spintronici o sensori basati sul diamante.

Studio 1: L'imaging NV a scansione rivela come si propagano realmente le onde di spin

Dove è stato pubblicato: SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy

Titolo dell'articolo: Visualizing modified spin-wave wavefronts near magnetic defects and domains using nitrogen-vacancy centers

Gruppo di ricerca: Il gruppo di Li Yangmu presso l'Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences

Il team ha utilizzato l'imaging NV a scansione per eseguire l'imaging nello spazio reale e l'analisi di fase della propagazione delle onde di spin e dei fronti d'onda vicino a difetti magnetici su scala nanometrica e domini a strisce accoppiati antiferromagneticamente in film magnetici sottili (YIG e LSMO). Il lavoro ha rivelato lo scattering selettivo per lunghezza d'onda e la modulazione della forma d'onda, fornendo ai progettisti di dispositivi una nuova serie di strumenti per costruire e sintonizzare dispositivi a onde di spin.

Innanzitutto, un po' di contesto: perché le onde di spin sono difficili da vedere

Le onde di spin, chiamate anche magnoni, sono eccitazioni collettive di un sistema magneticamente ordinato. Trasportano informazioni senza le perdite per riscaldamento Joule tipiche dei dispositivi convenzionali basati sulla carica, il che li rende un vettore interessante per l'informatica basata su onde a basso consumo energetico.

Il problema è la scala. All'interno di strutture magnetiche complesse a livello nanometrico, lo scattering delle onde di spin e l'evoluzione della loro fase sono stati molto difficili da osservare direttamente nello spazio reale. I metodi di caratterizzazione esistenti hanno tutti dei limiti: lo scattering di luce Brillouin, la microscopia a trasmissione a raggi X a scansione e l'effetto Kerr magneto-ottico risolto nel tempo presentano ciascuno i propri limiti.

I centri NV offrono un percorso complementare. Possono rilevare trame magnetiche, fase dell'onda di spin e chiralità contemporaneamente, che è esattamente la combinazione necessaria qui. Quindi il team si è rivolto al microscopio a sonda NV a scansione (SNVM) di CIQTEK e ha eseguito l'imaging delle onde di spin nello spazio reale su due film magnetici sottili rappresentativi: granato di ittrio e ferro (YIG) e manganite di lantanio e stronzio (LSMO).

Figura 1: Immagini delle onde di spin e dei domini magnetici di YIG e LSMO (misurate con il CIQTEK SNVM).

Scoperta 1: Cosa succede vicino ai difetti puntiformi magnetici in un film di YIG

La forza dello scattering dipende da un rapporto. Se un'onda di spin si disperde fortemente su un difetto puntiforme dipende dalla dimensione relativa della lunghezza d'onda dell'onda di spin rispetto alla dimensione caratteristica del difetto. Quando la lunghezza d'onda è vicina alla dimensione del difetto, il fronte d'onda dell'onda di spin si piega e si distorce notevolmente. Quando la lunghezza d'onda è molto più grande della dimensione del difetto, l'onda di spin passa quasi senza alcun disturbo.

Difetti multipli creano interferenza. Quando un'onda di spin interagisce con diversi difetti puntiformi contemporaneamente, produce il classico schema di interferenza delle onde.

Esperimento e teoria si allineano. Il difetto magnetico si comporta come una sorgente di radiazione secondaria che emette onde diffuse cilindriche. Lo sfasamento totale vicino al difetto è determinato dalle ampiezze sia dell'onda incidente che di quella diffusa, e il modello teorico riproduce le caratteristiche di scattering osservate nell'esperimento.

Figura 2: Immagini delle onde di spin vicino a uno scatterer puntiforme magnetico in un film di YIG.

Scoperta 2: Cosa succede vicino alle strutture di dominio magnetico in un film di LSMO

Una prima assoluta. Il team ha osservato sperimentalmente, per la prima volta, onde di spin che assumevano una distorsione del fronte d'onda a zig-zag mentre attraversavano i domini a strisce.

Perché appare lo zig-zag. I domini magnetici adiacenti hanno direzioni di magnetizzazione di equilibrio opposte. Ciò costringe la direzione del gradiente di fase a invertirsi tra domini vicini, in modo che sia la continuità di fase vicino al confine che la relazione di dispersione siano soddisfatte contemporaneamente.

Cosa hanno mostrato le simulazioni. L'analisi della simulazione micromagnetica ha rilevato che la componente di magnetizzazione dinamica mx mantiene lo stesso segno attraverso i domini adiacenti, mentre la componente my inverte il segno. La componente mx è concentrata principalmente vicino alle pareti del dominio. Una differenza di campo magnetico locale di circa ±7 G tra domini adiacenti causa uno spostamento nella frequenza di risonanza NV locale.

Figura 3: Misurazione dello stato non degenere di domini a strisce accoppiati antiferromagneticamente e onde di spin in LSMO.

Perché questo studio si distingue

A differenza dei metodi tradizionali che si basano sull'inversione del campo magnetico, il microscopio a sonda NV a scansione CIQTEK ha consentito la misurazione in-situ simultanea della fase dell'onda di spin e dei domini magnetici statici. Tale combinazione apre una nuova strada per studiare come i difetti magnetici, i confini di dominio e le onde di spin interagiscono tra loro e fornisce allo sviluppo di dispositivi magnonici un nuovo strumento sperimentale.

Studio 2: La modulazione anionica porta il ferromagnetismo a temperatura ambiente al 2D CuCrSe₂

Dove è stato pubblicato: SCIENCE CHINA Materials

Titolo dell'articolo: Ferromagnetismo a temperatura ambiente indotto dalla modulazione anionica in CuCrSe₂ bidimensionale

Gruppo di ricerca:Il team di Wu Changzheng presso l'Università di Scienza e Tecnologia della Cina

Questo team ha proposto una strategia di "modulazione anionica". Rimuovendo selettivamente gli anioni Se dal CuCrSe₂ tramite ricottura sottovuoto, hanno introdotto vacanze di Se all'interno del materiale.

Estrarre il selenio senza rompere il cristallo

Vale la pena soffermarsi sui numeri. Dopo 20 minuti di ricottura, il rapporto di perdita di Se nei nanosheet di CuCrSe₂ era di circa il 10%, eppure il materiale ha mantenuto la sua struttura cristallina a strati originale. Non vi è stata alcuna evidente transizione di fase strutturale né una seconda fase. Molteplici caratterizzazioni strutturali hanno confermato insieme che il processo di ricottura ha causato principalmente la rimozione degli anioni Se.

Conferma del magnetismo a temperatura ambiente

Per verificare che il materiale fosse ferromagnetico a temperatura ambiente, il team ha combinato diverse tecniche: microscopia a forza magnetica (MFM), microscopio a scansione con sonda NV (SNVM) e misurazioni dell'effetto Hall anomalo (AHE). Tra queste, i risultati della SNVM hanno mostrato chiaramente un segnale magnetico locale nei nanosheet di CuCrSe₂ ricotti a temperatura ambiente, mentre i campioni non ricotti non hanno mostrato domini magnetici evidenti.

Figura 4: Test del ferromagnetismo a temperatura ambiente del materiale A-CuCrSe₂.

Cosa succede a livello atomico

I calcoli teorici hanno rivelato il meccanismo microscopico alla base del magnetismo potenziato. Le vacanze di Se in siti specifici possono modificare la distribuzione del momento magnetico degli atomi di Cr circostanti, produrre una scissione del momento magnetico più pronunciata tra gli atomi di Cr e restringere il gap energetico di scambio spin-orbita, il che rafforza l'interazione di super-scambio ferromagnetico tra Cr e Cr.

La posizione della vacanza è importante. Le vacanze di Se in posizioni diverse hanno effetti notevolmente differenti sul magnetismo, e le vacanze di Se nei siti vantaggiosi sono la chiave per ottenere il ferromagnetismo ad alta temperatura.

Perché questo studio si distingue

Il lavoro dimostra che la regolazione selettiva delle vacanze anioniche nei materiali 2D può rafforzare efficacemente le interazioni magnetiche preservando la struttura cristallina originale. Ciò indica una nuova strada per la creazione di materiali ferromagnetici 2D a temperatura ambiente e offre un importante punto di riferimento per la progettazione di materiali magnetici a bassa dimensionalità destinati alla spintronica.

Studio 3: Come i campi magnetici trasversali mescolano gli spin dei centri NV

Dove è stato pubblicato: ACS Photonics

Titolo dell'articolo: Optically Detected Spin Mixing of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond

Gruppo di ricerca:Il team di ricerca di Zhang Jun presso l'Istituto di Semiconduttori, Accademia Cinese delle Scienze

Questo studio ha rivelato sistematicamente i meccanismi di miscelazione dello spin, degradazione della lettura ottica e conversione dello stato di carica dei centri azoto-vacanza (NV) del diamante sotto un campo magnetico trasversale. I risultati offrono un nuovo modo per migliorare la stabilità dei sensori basati su NV quando operano in ambienti magnetici complessi.

Il problema con un campo che non si allinea

I centri NV del diamante sono un'importante classe di difetti quantistici allo stato solido. Possono essere inizializzati tramite laser, manipolati con microonde e letti tramite fluorescenza, motivo per cui sono stati ampiamente utilizzati nella misurazione del campo magnetico ad alta sensibilità, nell'imaging quantistico e nell'elaborazione delle informazioni quantistiche.

In un dispositivo reale, tuttavia, il campo magnetico applicato si allinea raramente perfettamente con l'asse NV. Quando il campo ha una componente trasversale, mescola i diversi sottolivelli di spin del centro NV e indebolisce la capacità di polarizzare otticamente gli spin, il che a sua volta influisce sulla lettura della fluorescenza e sui segnali di risonanza magnetica.

Cosa ha misurato il team

I ricercatori hanno utilizzato gli strumenti correlati all'ODMR di CIQTEK insieme alla fotoluminescenza (PL) e a tecniche di risonanza magnetica otticamente rilevata (ODMR) per misurare sistematicamente come i centri NV del diamante rispondono sotto diversi campi magnetici e temperature.

L'ODMR funziona monitorando i cambiamenti di fluorescenza causati dalle transizioni di spin guidate dalle microonde, il che riflette quanto bene il centro NV possa inizializzare il suo spin e quanto bene funzioni la lettura ottica. Gli esperimenti hanno rilevato che man mano che il campo magnetico trasversale diventa più forte, gli stati di spin ms=0 e ms=1 del centro NV si mescolano in modo più evidente. L'efficienza della polarizzazione ottica diminuisce e il contrasto ODMR si indebolisce di conseguenza.

Figura 5: Misurazione dell'effetto di miscelazione dello spin di NV⁻ sotto un campo magnetico trasversale utilizzando l'ODMR.

Il campo magnetico critico Bc

Per valutare quantitativamente quanto bene un centro NV tolleri un campo magnetico trasversale, il team ha estratto un campo magnetico critico, Bc, dalle curve di contrasto PL dipendenti dal campo. Questo parametro segna la scala di campo in cui la miscelazione dello spin inizia a influenzare significativamente la lettura ottica. Un Bc più grande significa che il centro NV è più stabile rispetto ai campi magnetici trasversali. Un Bc più piccolo significa che la sua lettura ottica è più facilmente disturbata dal disallineamento del campo.

La temperatura cambia il quadro

Lo studio ha anche rilevato che il campo magnetico critico dipende chiaramente dalla temperatura. In un intervallo di temperatura intermedio specifico, la risposta di fluorescenza del centro NV è stata significativamente soppressa.

Costruendo un modello di equazione master di Lindblad che include la struttura orbitale dello stato eccitato, il rilassamento orbitale assistito da fononi e l'incrocio tra sistemi dipendente dallo spin, i ricercatori hanno rivelato come la temperatura modifichi la dinamica orbitale dello stato eccitato e, attraverso ciò, regoli ulteriormente la miscelazione dello spin indotta dal campo magnetico trasversale.

Gli stati di carica raccontano il resto della storia

Il team ha anche risolto separatamente l'emissione della linea zero-fonone dello stato caricato negativamente, NV⁻, e dello stato neutro, NV⁰. Ciò che hanno osservato è che quando il campo magnetico trasversale aumentava, il calo della fluorescenza di NV⁻ era accompagnato da un corrispondente cambiamento nella fluorescenza di NV⁰. In altre parole, la perdita di segnale causata dal campo magnetico non deriva interamente da processi non radiativi. È strettamente legata a una ridistribuzione tra gli stati di carica NV⁻ e NV⁰.

Perché questo studio si distingue

Questo lavoro unisce il mixing di spin, il decadimento del contrasto ODMR, gli effetti della temperatura e la dinamica dello stato di carica in un unico quadro. Propone una metrica sperimentale che può essere utilizzata per valutare la stabilità del campo magnetico trasversale dei sensori basati su NV e fornisce importanti punti di riferimento per la progettazione della direzione del campo magnetico, l'ottimizzazione della temperatura operativa, il controllo degli stati di carica e il miglioramento delle prestazioni di lettura ottica.

Uno sguardo più da vicino allo strumento: il microscopio a sonda NV a scansione (SNVM)

CIQTEK ti invita a provare il microscopio a sonda NV a scansione (SNVM), un sistema leader a livello mondiale per l'imaging del campo magnetico su scala nanometrica. Specifiche chiave:

• Intervallo di temperatura: da 1,8 K a 300 K

• Campo magnetico vettoriale: 9 / 1 / 1 T

• Risoluzione spaziale magnetica: 10 nm

Sono disponibili due configurazioni:

• SNVM a temperatura ambiente

• SNVM a bassa temperatura

Provalo tu stesso: test gratuiti dei campioni e visite in loco

CIQTEK ha una vasta esperienza nei test sui campioni e supporta le visite in loco, nonché la misurazione gratuita dei campioni. Se hai un campione che vorresti far testare, invia un'email ai nostri ingegneri all'indirizzo sunh@ciqtek.com e ci occuperemo noi del resto.

Vuoi saperne di più sui nostri prodotti e su come potrebbero adattarsi al tuo lavoro? Contattaci in qualsiasi momento:

Telefono: +86 400-0606-976

Email: gylz@ciqtek.com

Domande frequenti

Cos'è l'ODMR?

La risonanza magnetica otticamente rilevata (ODMR) è un metodo di caratterizzazione nella scienza dello spin allo stato solido. Funziona monitorando le variazioni di fluorescenza causate dalle transizioni di spin guidate da microonde, il che lo rende utile per l'imaging del campo magnetico su microscala e per l'analisi della dinamica dello spin.

Cosa può misurare un microscopio a sonda NV a scansione (SNVM)?

L'SNVM utilizza centri NV per rilevare e visualizzare campi magnetici su scala nanometrica. Come mostra il lavoro descritto sopra, può misurare contemporaneamente la fase dell'onda di spin e i domini magnetici statici, il che consente ai ricercatori di studiare come interagiscono difetti magnetici, confini di dominio e onde di spin. Il sistema supporta anche l'imaging in un intervallo di temperatura da 1,8 K a 300 K.

Perché il ferromagnetismo a temperatura ambiente nei materiali 2D è così importante?

Perché significa che il magnetismo sopravvive senza costosi raffreddamenti. Nel lavoro sul CuCrSe₂, la rimozione selettiva degli anioni Se tramite ricottura sottovuoto ha migliorato le interazioni magnetiche mantenendo intatta la struttura cristallina a strati, il che punta verso materiali ferromagnetici 2D pratici per la spintronica.

Perché la stabilità del campo magnetico trasversale è importante per i sensori basati su NV?

I dispositivi reali raramente forniscono un campo magnetico che si allinea perfettamente con l'asse NV. Una componente trasversale mescola i sottolivelli di spin NV, indebolisce la polarizzazione ottica e riduce il contrasto ODMR. Il campo magnetico critico Bc fornisce agli ingegneri un modo misurabile per confrontare quanto bene i diversi centri NV resistono a quel tipo di disallineamento del campo.

Continuiamo la conversazione

Seguici per ulteriori notizie sul settore e aggiornamenti di ricerca dal mondo del sensing. Se desideri vedere come i nostri strumenti ODMR si adattano al tuo lavoro, contattaci all'indirizzo gylz@ciqtek.com o chiama il numero +86 400-0606-976.