Imagerie de la structure des domaines dans une bande magnétique avec une sonde NV à balayage. La sonde centrale NV en diamant à balayage fabriquée par fraisage FIB démontre l'imagerie de la structure du domaine magnétique de la bande magnétique. Crédit :Toshu An de JAIST.
De la découverte de micro-organismes dans le domaine de la biologie à l'imagerie des atomes dans le domaine de la physique, l'imagerie microscopique a amélioré notre compréhension du monde et a été à l'origine de nombreuses avancées scientifiques. Aujourd'hui, avec l'avènement de la spintronique et des dispositifs magnétiques miniatures, il existe un besoin croissant d'imagerie à l'échelle nanométrique pour détecter les propriétés quantiques de la matière, telles que les spins électroniques, la structure du domaine magnétique dans les ferromagnétiques et les vortex magnétiques dans les supraconducteurs.
En règle générale, cela se fait en complétant les techniques de microscopie standard, telles que la microscopie à effet tunnel et la microscopie à force atomique (AFM), avec des capteurs magnétiques pour créer des "sondes de magnétométrie à balayage" qui peuvent réaliser une imagerie et une détection à l'échelle nanométrique. Cependant, ces sondes nécessitent souvent des conditions de vide ultra poussé, des températures extrêmement basses et sont limitées en résolution spatiale par la taille de la sonde.
À cet égard, les centres de lacunes d'azote (NV) dans le diamant (défauts dans la structure du diamant formés par des atomes d'azote adjacents à des "lacunes" créées par des atomes manquants) ont suscité un intérêt significatif. Il s'avère que la paire NV peut être combinée avec l'AFM pour réaliser une imagerie magnétique locale et peut fonctionner à température et pression ambiantes. Cependant, la fabrication de ces sondes implique des techniques complexes qui ne permettent pas beaucoup de contrôle sur la forme et la taille de la sonde.
Dans une nouvelle étude dirigée par le professeur agrégé Toshu An du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) et Yuta Kainuma, titulaire d'un doctorat. étudiant à JAIST, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Kyoto, au Japon, et de l'Institut national des sciences et technologies industrielles avancées, au Japon, a abordé ce problème en fabriquant des sondes en diamant hébergeant des NV à l'aide d'une nouvelle technique combinant la découpe au laser et le faisceau d'ions focalisé (FIB) traitement qui a permis à la fois un degré élevé de liberté de traitement et de contrôle sur la forme de la sonde. Cet article a été mis en ligne le 28 décembre 2021 et a été publié dans le volume 130 numéro 24 du Journal of Applied Physics .
Pour commencer, l'équipe a créé des centres N-V dans du diamant en vrac en y implantant des ions d'azote. Ensuite, ils ont poli la surface opposée et ont produit plusieurs pièces en forme de tige avec une découpe au laser. Ils ont attaché l'une des tiges de diamant à la pointe d'une sonde AFM et ont utilisé le traitement FIB pour transformer la surface avant de la tige de diamant en la forme finale de la sonde. "FIB utilise des ions gallium pour façonner la sonde. Cependant, ces ions peuvent créer des lacunes dans la structure du diamant modifiant l'état de charge du défaut NV. Pour éviter cela, nous avons utilisé un motif de fraisage en forme de beignet autour du centre de la sonde pour empêcher tout dommage au centre NV », explique le Dr An. La sonde finale était un micropilier constitué de 103 centres NV d'un diamètre de 1,3 µm et d'une longueur de 6 µm.
À l'aide de la sonde, l'équipe a imagé la structure périodique du domaine magnétique dans une bande magnétique. "Nous avons imagé les champs magnétiques parasites de la structure du domaine magnétique en cartographiant l'intensité de la photoluminescence à une fréquence micro-onde fixe et les fréquences de résonance dans les spectres de résonance magnétique détectés optiquement", explique le Dr An.
L'équipe est optimiste que la nouvelle méthode de fabrication élargira l'applicabilité des sondes d'imagerie quantique. "Ces dernières années, le développement de nouveaux appareils a été recherché pour résoudre les problèmes environnementaux et énergétiques et réaliser une prospérité durable de la société humaine. La technologie de mesure et de détection quantique devrait réformer complètement le système qui prend en charge l'infrastructure sociale à l'avenir. Dans À cet égard, notre technique de fabrication pourrait aider à stimuler les efforts de réalisation de l'imagerie quantique à l'échelle nanométrique », déclare le Dr An. La technique combinée utilisant des sondes en diamant permet une imagerie à l'échelle nanométrique des structures de vortex magnétiques
