Bientôt dans un laboratoire près de chez vous :une méthode d'imagerie magnéto-thermique qui offre une résolution à l'échelle nanométrique et picoseconde auparavant disponible uniquement dans les installations synchrotron.

Cette innovation dans la résolution spatiale et temporelle offrira aux chercheurs des vues extraordinaires sur les propriétés magnétiques d'une gamme de matériaux, des métaux aux isolants, le tout dans le confort de leurs laboratoires, stimuler potentiellement le développement des dispositifs de stockage magnétique.

"La microscopie à rayons X magnétique est un oiseau relativement rare, " a déclaré Greg Fuchs, professeur agrégé de physique appliquée et d'ingénierie, qui a mené le projet. "Les microscopies magnétiques qui peuvent faire ce genre de résolution spatiale et temporelle sont très rares. Normalement, vous devez choisir entre spatial ou temporel. Vous ne pouvez pas les obtenir tous les deux. Il n'y a que quatre ou cinq endroits dans le monde qui ont cette capacité. Donc, avoir la possibilité de le faire sur une table permet vraiment la dynamique de spin à l'échelle nanométrique pour la recherche. »

Le papier de son équipe, "Magnétisation à l'échelle nanométrique et imagerie actuelle à l'aide de la microscopie magnétothermique à sonde à balayage résolue en temps, " publié le 8 juin dans le journal de l'American Chemical Society Nano lettres . L'auteur principal est le chercheur postdoctoral Chi Zhang.

L'article est l'aboutissement d'un effort de près de 10 ans du groupe Fuchs pour explorer l'imagerie magnétique avec la microscopie magnéto-thermique. Au lieu de dynamiter un matériau avec de la lumière, électrons ou rayons X, les chercheurs utilisent un laser focalisé sur la sonde de balayage pour appliquer de la chaleur à une bande microscopique d'un échantillon et mesurer la tension électrique résultante pour obtenir des informations magnétiques locales.

Fuchs et son équipe ont été les pionniers de cette approche et au fil des ans ont développé une compréhension de l'évolution des gradients de température dans le temps et dans l'espace.

« Vous pensez que la chaleur est très lente, processus de diffusion, " dit Fuchs. " Mais en fait, la diffusion à l'échelle du nanomètre a des temps picosecondes. Et c'est une idée clé. C'est ce qui nous donne la résolution temporelle. La lumière est une onde et diffracte. Il ne veut pas vivre à ces très petites échelles de longueur. Mais la chaleur peut."

Le groupe a déjà utilisé cette technique pour imager et manipuler des matériaux antiferromagnétiques, difficiles à étudier car ils ne produisent pas de champ magnétique, ainsi que des métaux magnétiques et des isolants.

Bien qu'il soit assez facile de focaliser un laser, le principal obstacle a été de confiner cette lumière et de générer suffisamment de chaleur à l'échelle nanométrique pour que le processus fonctionne. Et parce que certains phénomènes à cette échelle se produisent si rapidement, l'imagerie doit être tout aussi rapide.

"Il y a beaucoup de situations dans le magnétisme où les choses bougent, et c'est petit. Et c'est essentiellement ce dont vous avez besoin, " a déclaré Fuchs.

Maintenant qu'ils ont affiné le processus et atteint avec succès une résolution spatiale de 100 nanomètres et une résolution temporelle inférieure à 100 picosecondes, l'équipe peut explorer les vraies minuties du magnétisme, comme les skyrmions, quasi-particules dans lesquelles l'ordre magnétique est tordu. Comprendre ces types de "textures de rotation" pourrait conduire à une nouvelle vitesse élevée, technologies de stockage magnétique et de logique à haute densité.

En plus du magnétisme, la dépendance de la technique à la tension électrique signifie qu'elle peut être utilisée pour mesurer la densité de courant lorsque la tension interagit avec un matériau. Il s'agit d'une nouvelle approche, puisque d'autres techniques d'imagerie mesurent le courant en mesurant le champ magnétique produit par le courant, pas le courant lui-même.

La microscopie magnéto-thermique a ses limites. Étant donné que les échantillons doivent être configurés avec des contacts électriques, le matériau doit être modelé dans un appareil. Par conséquent, la technique ne peut pas être appliquée aux échantillons en vrac. Aussi, l'appareil et la sonde de balayage doivent être mis à l'échelle ensemble. Donc si vous voulez mesurer un phénomène à l'échelle nanométrique, l'échantillon doit être petit.

Mais ces limitations sont mineures par rapport aux avantages d'une forme de microscopie magnéto-thermique relativement peu coûteuse dans votre propre laboratoire.

"À l'heure actuelle, les gens doivent se rendre dans un établissement public, comme une installation synchrotron, pour faire ce type de mesures, " dit Zhang. " Vous écrivez une proposition, vous obtenez un temps de faisceau, et vous avez peut-être quelques semaines pour travailler, au mieux. Si vous n'obtenez pas le résultat souhaité, alors c'est peut-être encore quelques mois. Ce sera donc un progrès pour le terrain."