Acquérir une compréhension précise des structures magnétiques est l'un des principaux objectifs de la physique du solide. D'importantes recherches sont actuellement menées dans ce domaine, l'objectif étant de développer de futures applications informatiques utilisant de minuscules structures magnétiques comme supports d'information. Des physiciens de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de l'Institut Helmholtz de Mayence (HIM) ont récemment présenté une nouvelle méthode d'étude des structures magnétiques combinant deux techniques différentes. Cela permet de mesurer et de cartographier l'aimantation ainsi que les champs magnétiques de l'échantillon. Les physiciens atomiques du groupe de travail dirigé par le professeur Dmitry Budker et l'équipe de physiciens expérimentaux du solide dirigée par le professeur Mathias Kläui ont participé au projet. Les résultats ont été publiés dans Examen physique appliqué .

"Dans ce projet, nous avons combiné deux techniques de détection quantique qui n'avaient jamais été utilisées ensemble pour analyser un échantillon, " a expliqué Till Lenz, premier auteur de l'article et doctorant dans le groupe Budker. Une méthode bien connue employée en physique du solide utilise l'effet Kerr magnéto-optique (MOKE) afin de détecter les champs magnétiques et l'aimantation. "Mais cela ne nous donne qu'une quantité limitée d'informations, " a déclaré Lenz. Pour cette raison, les chercheurs ont décidé de combiner l'effet Kerr avec des méthodes de magnétométrie qui utilisent des centres de couleur diamant afin de permettre également la cartographie des champs magnétiques. "Nous espérons que cela conduira à de nouvelles connaissances en matière de physique du solide et de structures ferromagnétiques, " a déclaré Georgios Chatzidrosos, également doctorant dans le groupe Budker. Le professeur Mathias Kläui est enthousiasmé par les nouvelles capacités de mesure :« L'utilisation de sondes en diamant offre une sensibilité qui ouvre de toutes nouvelles options en ce qui concerne les potentiels de mesure.

De nouvelles méthodes de mesure combinées peuvent être utilisées dans une large gamme de conditions ambiantes différentes

Le diamant n'est pas seulement une pierre précieuse, il est également utilisé pour fabriquer des outils de coupe et de meulage. Des défauts spécifiques dans le réseau cristallin du diamant donnent des propriétés qui peuvent être utilisées pour examiner les structures magnétiques. Ces centres de couleurs, également appelés centres de vacance d'azote, sont des défauts ponctuels dans la structure du réseau de carbone du diamant. Le groupe de recherche dirigé par le professeur Dmitry Budker utilise ces centres de couleur dans le diamant comme sondes pour mesurer les phénomènes magnétiques.

Les magnétomètres à base de diamant peuvent fonctionner à très basse température ainsi qu'à des températures supérieures à la température ambiante, alors que les distances requises entre l'échantillon et la sonde peuvent être minuscules, de l'ordre de quelques nanomètres seulement. "Nous avons une fine couche de défauts d'azote dans un cristal de diamant et avec cela nous pouvons cartographier les structures magnétiques et prendre des photos des champs magnétiques, " a expliqué le Dr Arne Wickenbrock du groupe Budker. Et le co-auteur Dr Lykourgos Bougas a ajouté :" En cartographiant toutes les composantes d'un champ magnétique, nous pouvons compléter et étendre les possibilités offertes par les mesures magnéto-optiques."

"La sonde qui fonctionne à l'aide de centres de couleur diamant est beaucoup plus sensible que les outils conventionnels et nous fournit des résultats extrêmement bons. Nous pouvons accéder à des échantillons fascinants, qui se traduit par des opportunités uniques de coopération, " a souligné le professeur Mathias Kläui, décrivant l'avantage de la collaboration entre les deux groupes de recherche. "La combinaison de nos techniques de mesure complémentaires permet la reconstruction complète des propriétés magnétiques de nos échantillons." L'article récemment publié est le produit d'un travail d'équipe au sein du domaine de recherche de haut niveau Dynamique et topologie (TopDyn) de JGU, qui est financé par l'état de Rhénanie-Palatinat. En outre, les travaux ont également été menés dans le cadre du projet 3D MAGiC, qui a été lancé en collaboration avec Forschungszentrum Jülich et Radboud University Nijmegen aux Pays-Bas et a reçu une bourse ERC Synergy.

Pour citer l'article publié dans Physical Review Applied :« Notre concept représente une nouvelle plate-forme pour l'imagerie à grand champ de la magnétisation et des champs magnétiques résultants des structures magnétiques à l'aide de capteurs magnétiques en diamant et d'une configuration optique permettant les deux modalités de mesure. » En plus des deux groupes de travail JGU et HIM, était également impliqué le professeur Yannick Dumeige de l'Université de Rennes 1 en France, qui, en tant que récipiendaire du Friedrich Wilhelm Bessel Research Award de la Fondation Alexander von Humboldt en 2018, a également travaillé avec le groupe Budker. Professeur Kai-Mei Fu, physicien à l'Université de Washington, a également participé au projet en tant que visiteur distingué HIM.

En regardant vers l'avenir, les partenaires de coopération prévoient d'utiliser la nouvelle technique pour analyser divers aspects multidisciplinaires qui présentent un intérêt particulier pour les groupes respectifs. Il s'agit notamment d'étudier des matériaux magnétiques bidimensionnels, les effets magnétiques de la chiralité moléculaire, et la supraconductivité à haute température.