En collaboration avec des collègues du Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden (IFW) et de l'Université de Glasgow, des physiciens du centre de recherche allemand Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) travaillent à la production de nanostructures magnétiques conçues et à l'adaptation des propriétés des matériaux à l'échelle nanométrique. Les scientifiques utilisent un microscope spécial au HZDR Ion Beam Center pour atteindre cet objectif. Le faisceau d'ions ultrafin de ce microscope est capable de produire des nanoaimants disposés périodiquement dans un échantillon de matériau. Le dispositif peut également être utilisé pour optimiser les propriétés magnétiques des nanotubes de carbone. Les chercheurs rapportent maintenant leurs découvertes dans deux articles qui ont été publiés dans Petit .

"Le réglage magnétique des matériaux dans la gamme nanométrique offre un grand potentiel pour la production de composants électroniques de pointe. Nous poursuivons diverses approches en ce qui concerne nos nanostructures magnétiques, qui impliquent toutes l'utilisation de faisceaux d'ions, " a déclaré les chercheurs du HZDR, le Dr Rantej Bali, Dr Kilian Lenz et Dr Gregor Hlawacek. Si, par exemple, un faisceau d'ions est dirigé sur un alliage fer-aluminium non ferromagnétique, il peut déplacer quelques centaines d'atomes. Les atomes de l'alliage se réarrangent ensuite, augmentant ainsi le nombre d'atomes de fer magnétique adjacents. En conséquence, un aimant est formé à proximité du site de bombardement. Cette approche a permis aux chercheurs de graver localement des nano-aimants dans des couches minces d'un matériau à l'origine non ferromagnétique.

Le désordre induit l'incorporation de nano-aimants

Dans leur dernier ouvrage, les scientifiques du HZDR démontrent que le trouble induit par les faisceaux d'ions augmente également le volume de la structure en treillis sous-jacente, mais pas uniformément dans toutes les directions spatiales. La distorsion du réseau affecte également le comportement magnétique. Par exemple, dans une piste magnétique allongée, on s'attend à ce que l'aimantation s'aligne le long du grand axe, comme c'est généralement le cas dans un barreau magnétique conventionnel. Cependant, en raison de la distorsion du réseau dans les nano-aimants intégrés, des composantes d'aimantation transversale sont également observées. L'effet net est que les moments magnétiques ont tendance à « s'écarter » de la longueur de l'aimant de manière périodique. Ces écuries, des domaines magnétiques périodiques peuvent également être formés de manière fiable dans des aimants incurvés, et peut trouver des applications dans des capteurs magnétiques miniaturisés, par exemple.

Dans le microscope hélium-ion HZDR, les physiciens utilisaient des gaz rares pour produire des faisceaux d'ions extrêmement minces et donc très précis. "Le diamètre de notre faisceau d'ions n'a que quelques atomes de large, " a expliqué Gregor Hlawacek, qui coordonne les expériences au microscope à hélium-ion. "Selon le gaz noble utilisé, on peut alors modifier les propriétés de la matière irradiée ou changer sa morphologie en enlevant des atomes." Malgré son nom, le microscope hélium-ion n'est pas seulement limité à l'utilisation de l'hélium. Dans leurs dernières expériences, les chercheurs ont utilisé du néon, qui est plus lourd que l'hélium, et a donc un impact plus fort sur le matériau à modifier. La coopération avec l'Université de Glasgow a également permis aux scientifiques du HZDR d'utiliser le microscope électronique à transmission situé dans sa chaire de physique des matériaux et de la matière condensée.

Les expériences de Rantej Bali impliquaient l'utilisation d'un faisceau d'ions néon comme stylet d'écriture magnétique :« Le faisceau d'ions permet de produire des nanostructures magnétiques sous n'importe quelle forme, qui sont noyés dans le matériau et définis uniquement par leurs propriétés magnétiques et cristallographiques, " a déclaré Bali, résumant les résultats de ses recherches antérieures, menée à la HZDR dans le cadre d'un projet DFG.

Utiliser des ions néon pour couper les matériaux

Kilian Lenz, d'autre part, utilise la méthode de manipulation de faisceaux d'ions focalisés pour optimiser les propriétés souhaitables des matériaux en modifiant la géométrie de la nanostructure elle-même. Le faisceau d'ions néon utilisé a un diamètre de seulement deux nanomètres. Sur le site de bombardement, irrégularité du matériau, ou simplement des bords de matière, sont enlevés dans la même dimension. "Nous examinons cela à l'aide de nanotubes de carbone contenant un noyau de fer magnétique presque cylindrique. La structure et la géométrie de ces nanotubes peuvent être optimisées en rognant dans le microscope à hélium-ion, " a déclaré Lenz, décrivant le processus.

Un micro-manipulateur est utilisé pour séparer un tube unique - d'un diamètre de 70 nanomètres et d'une longueur de 10 micromètres - et de le placer dans un microrésonateur pour la mesure. "C'est un processus extrêmement élaboré que l'équipe de l'Institut Leibniz de recherche sur les solides et les matériaux de Dresde a développé pour nous, " a expliqué Lenz. La combinaison unique de coupes utilisant le faisceau d'ions focalisé et les mesures de la résonance ferromagnétique du noyau de fer permet aux chercheurs, dirigé par Lenz, pour faire la lumière sur une structure magnétique presque parfaite pour dévoiler les propriétés du noyau de fer dans le nanotube.

De telles méthodes pour la manipulation ciblée des propriétés des matériaux nanomagnétiques à l'aide de faisceaux d'ions focalisés continueront d'être explorées à l'Institut de physique des faisceaux d'ions et de recherche sur les matériaux du HZDR à l'avenir. Les scientifiques pensent que leur méthode et les matériaux adaptés qu'elle produit ont le potentiel de réaliser des progrès dans les applications spintroniques et dans la fabrication de dispositifs de détection ou de supports de stockage innovants.