激光驅(qū)動(dòng)顯微鏡以納米級(jí)分辨率分析磁性微結(jié)構(gòu)

以高分辨率分析磁性納米結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)測(cè)試和測(cè)量挑戰(zhàn)，但它對(duì)于高級(jí)物理學(xué)見(jiàn)解以及高密度硬盤和磁帶驅(qū)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(dāng)使用納米級(jí)鐵磁體時(shí)，由于相鄰比特之間的相互作用而導(dǎo)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(rèn)為磁帶存儲(chǔ)是計(jì)算機(jī)“恐龍時(shí)代”的過(guò)時(shí)遺物，請(qǐng)?jiān)傧胍幌耄捍艓?qū)動(dòng)器仍然廣泛用于存檔存儲(chǔ)和異地備份;這是一個(gè)巨大且快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)，每年增長(zhǎng)約 10%，提供超高密度盒式磁帶和帶有拾取和放置機(jī)架的自動(dòng)化機(jī)器人磁帶處理系統(tǒng)。

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，而普通光學(xué)顯微鏡的分辨率僅為 500 nm。他們的結(jié)果對(duì)于開(kāi)發(fā)基于 spin electronics 的新型節(jié)能存儲(chǔ)技術(shù)非常重要。

使用納米級(jí)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(jī)存取存儲(chǔ)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(duì)將 innately AF 材料用于自旋電子學(xué)應(yīng)用的興趣越來(lái)越大，因?yàn)檫@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(jì)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(xiàn)出疇結(jié)構(gòu)。

新型自旋電子學(xué)方法的固體物理學(xué)

這項(xiàng)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)中使用的類似器件）;如果您不熟悉或忘記了這些原理，請(qǐng)參閱本文末尾的“感興趣的物理原理”側(cè)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(yīng) （ANE） 和金屬納米級(jí)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(qiáng)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(qiáng)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 的器件上的線掃描。該設(shè)備由波長(zhǎng)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(cè)量的器件結(jié)構(gòu)的原理圖。（c，d）如圖所示，在不同器件結(jié)構(gòu)中穩(wěn)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(jí)的溫度梯度。金屬尖端的作用類似于天線，將電磁場(chǎng)聚焦在其頂點(diǎn)下方的一個(gè)小區(qū)域上。這使得 ANE 測(cè)量的分辨率比傳統(tǒng)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(cè)量能夠?qū)﹁F磁體和反鐵磁體中的磁疇進(jìn)行成像。

將 15 nm 厚的面內(nèi) （IP） 磁化 Co20Fe60B20 薄膜圖案化成 10 μm 寬的導(dǎo)線（稱為跑道納米線），并沿導(dǎo)線寬度施加磁場(chǎng)。當(dāng)激光束穿過(guò)導(dǎo)線進(jìn)行掃描時(shí)，他們觀察到了幾毫伏左右的 VANE 信號(hào)。

將這種方法應(yīng)用于磁渦旋的納米級(jí)自旋織構(gòu)，使他們能夠了解熱梯度的空間擴(kuò)散（圖 2）。磁渦流結(jié)構(gòu)導(dǎo)致 IP 磁化強(qiáng)度非?？焖傩D(zhuǎn)，因?yàn)闇u流芯的寬度只有幾納米。結(jié)果是整個(gè)渦旋中相反的面內(nèi)磁化方向之間的納米級(jí)轉(zhuǎn)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(cè)量的二次諧波 ANE 電壓。外部虛線方塊表示設(shè)備的邊緣。（c） （b） 中內(nèi)部實(shí)心方塊所示的磁渦周圍區(qū)域的高分辨率 ANE 掃描。（d） 在 （c） 所示的虛線矩形區(qū)域中測(cè)得的 8 次線掃描的平均 ANE 信號(hào)（藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn) - 左軸 - 顯示在穿過(guò)渦流中心的線掃描中測(cè)得的 ANE 信號(hào)，如 （c） 中的虛線所示）。該線掃描數(shù)據(jù)配有具有線性背景（黑線）的誤差函數(shù)。然后將擬合誤差函數(shù)的導(dǎo)數(shù)繪制為綠線（右軸）。

通過(guò)渦流的 ANE 線掃描使該團(tuán)隊(duì)能夠計(jì)算熱梯度的空間分布，該分布由 ANE 線掃描的導(dǎo)數(shù)給出。給定磁線中 ANE 電壓的大小與導(dǎo)致加熱導(dǎo)線的總吸收功率成正比，與導(dǎo)線寬度成反比。ANE 信號(hào)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(shì)。首先，整個(gè)吸收的能量直接加熱導(dǎo)線，而電阻加熱方法則相反，大部分熱能都散在其他地方。其次，由于電壓與線寬成反比，因此使用 ANE 顯微鏡研究窄線會(huì)產(chǎn)生更大的信號(hào)。

這種方法還有其他好處。以前的研究只調(diào)查了樣品平面中的磁極化。然而，根據(jù)研究小組的說(shuō)法，面內(nèi)溫度梯度也很重要，它允許使用 ANE 測(cè)量來(lái)探測(cè)面外極化。最后，由于 ANE 信號(hào)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(jí)溫度分布的信息。

這是一個(gè)復(fù)雜且有些深?yuàn)W的項(xiàng)目，幾乎可能會(huì)與魔法混淆，但它確實(shí)有一些現(xiàn)實(shí)世界的研發(fā)影響。詳細(xì)信息在他們發(fā)表在 ACS Nano（美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)）上的論文“基于磁納米結(jié)構(gòu)的異常 Nernst 效應(yīng)近場(chǎng)成像”中。

感興趣的物理原理

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

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

• 磁渦旋：當(dāng)電子自旋在平面內(nèi)繞圈旋轉(zhuǎn)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(qiáng)度向平面外傾斜，類似于龍卷風(fēng)。

• Racetrack 納米線：一種用于非易失性存儲(chǔ)器（稱為賽道）的微小磁線，旨在將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一系列磁疇（位），這些磁疇可以像賽道上的汽車一樣沿著磁疇移動(dòng)。

• 自旋電子學(xué)：也稱為自旋電子學(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。