Risonanza magnetica: i microfiori aumentano il campo magnetico locale
I concentratori di flusso magnetico di dimensioni micrometriche aumentano il raggio d'azione del campo magnetico disponibile nella microscopia magnetica per lo studio delle nanostrutture magnetiche
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I materiali con nanostrutture magnetiche presentano numerose potenziali applicazioni, ad esempio nella spintronica. Per lo studio di tali materiali, le tecniche di imaging sensibili al campo magnetico su scala nanometrica risultano molto utili, ma finora durante il processo di imaging era possibile applicare solo campi magnetici deboli. Ora una collaborazione internazionale guidata dal dott. Sergio Valencia, dell’HZB, ha sviluppato un approccio che supera questa limitazione. Il team ha progettato minuscoli concentratori di flusso magnetico (MFC), all’interno dei quali viene collocato il campione. La geometria degli MFC ricorda quella di un fiore con una serie di petali che concentrano il campo magnetico applicato al suo centro. Ciò amplia notevolmente l’ampiezza del campo magnetico disponibile durante l’imaging e, di conseguenza, la gamma di sistemi magnetici che possono essere studiati. Questi «micro-fiori», che potenziano localmente i campi magnetici, possono trovare applicazione in diverse tecniche di microscopia magnetica nanometrica.
I materiali con nanostrutture magnetiche presentano un’ampia gamma di potenziali applicazioni. Un’area di applicazione è la cosiddetta spintronica, con dispositivi che codificano le informazioni nei domini magnetici. Questi bit magnetici possono essere scritti, letti e cancellati in modo più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai bit presenti negli attuali dispositivi a semiconduttori. Le strutture di spin e i domini magnetici in tali materiali possono essere studiati utilizzando tecniche di imaging magnetico su scala nanometrica, ad esempio la microscopia elettronica a fotoemissione (PEEM), abbinata a un meccanismo di rilevamento sensibile al campo magnetico. Tuttavia, osservare il comportamento dei materiali in presenza di campi magnetici più intensi è difficile, se non impossibile, poiché i fotoelettroni emessi dal campione e rilevati dal microscopio vengono fortemente deviati dalla cosiddetta forza di Lorentz, che si manifesta in presenza di un campo magnetico. Finora, durante l’imaging era possibile applicare solo campi magnetici molto deboli, fino a 30 millitesla (mT), il che significava che si potevano studiare solo sistemi ferromagnetici morbidi, mentre i sistemi ferromagnetici semiduri e duri rimanevano inaccessibili per l’imaging in campo.
Lente d’ingrandimento
In collaborazione con gruppi di ricerca provenienti da Spagna, Belgio, Regno Unito e Cina, il fisico dell’HZB, il dott. Sergio Valencia, ha ora sviluppato un approccio che supera questa limitazione. A tal fine, il team ha progettato minuscoli concentratori di flusso magnetico (MFC) realizzati con materiali ferromagnetici, nei quali sono integrate le nano- o microstrutture da esaminare. La geometria degli MFC ricorda quella di un fiore con diversi petali. Questa geometria concentra il campo magnetico applicato in una regione centrale dove si trova il campione. Aumenta il campo magnetico locale, proprio come fa una lente d’ingrandimento con la luce del sole.
Fattore 5
«Nel2025 siamo riusciti a dimostrare che questi micro-fiori aumentano notevolmente la sensibilità dei sensori magnetici posizionati al loro centro. Ora, in una nuova fase, li abbiamo utilizzati per amplificare localmente un campo magnetico applicato all’interno di una minuscola regione in cui si trova il campione da studiare. E funziona. Ora siamo in grado di visualizzare domini magnetici fino ad almeno 150 mT, quindi il campo locale è di gran lunga superiore al nostro limite di 30 mT. Il motivo è che questo campo è talmente confinato che gli elettroni non subiscono quasi alcuna deviazione», afferma Valencia. Gli MFC hanno amplificato il campo magnetico locale di un fattore 5; in teoria, sono possibili aumenti anche di fattori fino a 30. «Regolando la geometria dell’MFC, possiamo controllare con precisione come viene amplificato il campo magnetico e adattarlo alla geometria specifica del campione», afferma Valencia.
Test con due campioni diversi
A titolo dimostrativo, il team di Valencia ha esaminato due diversi campioni di magnetite di origine biologica presso la stazione PEEM di BESSY II: una catena di nanoparticelle magnetiche con diametri di circa 45 nanometri, sintetizzate naturalmente da batteri magnetotattici, e un fossile risalente a 60 milioni di anni fa, di dimensioni pari a circa 2 micrometri. È stata utilizzata luce a raggi X polarizzata per ottenere sensibilità magnetica durante l’imaging tramite dicroismo magnetico circolare a raggi X (XMCD-PEEM). Oltre a dimostrare l’approccio per aumentare localmente i campi magnetici, gli esperimenti hanno rivelato anche nuove intuizioni: nel magnetofossile gigante è stata osservata per la prima volta l’evoluzione della struttura dei domini magnetici.
Nuove intuizioni sui materiali quantistici
Questo lavoro rappresenta un enorme passo avanti per l’imaging magnetico con la tecnica PEEM. Ampliando la gamma accessibile di campi magnetici, si estende il numero di applicazioni e sistemi che possono essere studiati, come i nuovi sistemi su scala nanometrica con transizioni di fase magnetiche dipendenti dal campo e dalla temperatura, il ghiaccio di spin artificiale, nanoparticelle e nanostrutture magnetiche, nonché dispositivi spintronici antiferromagnetici quali le valvole di spin e le giunzioni a magnetoresistenza di tunnel, compresi i magneti di van der Waals bidimensionali.
In particolare, gli MFC potrebbero essere utilizzati anche per generare localmente campi magnetici più intensi in altre tecniche di microscopia a base di elettroni, nonché in tecniche in cui i vincoli spaziali limitano le dimensioni dei sistemi convenzionali per la generazione di campi magnetici. A questo proposito, anche tecniche quali la microscopia a trasmissione a raggi X, la ptychografia a raggi X e la laminografia a raggi X potrebbero trarre vantaggio dalle dimensioni su scala micrometrica degli MFC e dalla loro integrazione diretta con il campione.
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