Imagiologia magnética: as microflores aumentam o campo magnético local
Os concentradores de fluxo magnético com dimensões da ordem dos micrómetros aumentam o alcance do campo magnético disponível na microscopia magnética para a investigação de nanoestruturas magnéticas
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Os materiais com nanoestruturas magnéticas têm muitas aplicações potenciais, como, por exemplo, na espintrónica. Para explorar esses materiais, as técnicas de imagiologia sensíveis ao campo magnético à escala nanométrica são muito úteis, mas, até agora, apenas era possível aplicar campos magnéticos fracos durante o processo de imagiologia. Agora, uma colaboração internacional liderada pelo Dr. Sergio Valencia, do HZB, desenvolveu uma abordagem que supera esta limitação. A equipa concebeu minúsculos concentradores de fluxo magnético (MFCs), nos quais a amostra é colocada. A geometria dos MFC assemelha-se a uma flor com várias pétalas que concentram o campo magnético aplicado no seu centro. Isto amplia consideravelmente o alcance do campo magnético disponível durante a imagem e, consequentemente, a gama de sistemas magnéticos que podem ser investigados. As «microflores», que amplificam os campos magnéticos localmente, podem encontrar aplicação em diferentes técnicas de microscopia magnética nanométrica.
Os materiais com nanoestruturas magnéticas têm uma vasta gama de aplicações potenciais. Uma área de aplicação é a chamada spintrónica, com dispositivos que codificam informação em domínios magnéticos. Estes bits magnéticos podem ser gravados, lidos e apagados de uma forma mais eficiente em termos energéticos do que os bits nos dispositivos semicondutores atuais. As texturas de spin e os domínios magnéticos nestes materiais podem ser investigados utilizando técnicas de imagem magnética à escala nanométrica, por exemplo, a microscopia de fotoemissão de eletrões (PEEM), associada a um mecanismo de deteção magneticamente sensível. No entanto, observar o comportamento dos materiais sob campos magnéticos mais intensos é difícil, se não impossível, porque os fotoelétrons emitidos pela amostra e detetados pelo microscópio são fortemente desviados pela chamada força de Lorentz, que surge quando existe um campo magnético. Até agora, apenas campos magnéticos muito fracos, de até 30 militesla (mT), podiam ser aplicados durante a obtenção de imagens, o que significa que apenas os sistemas ferromagnéticos fracos podiam ser estudados, enquanto os sistemas ferromagnéticos semi- e fortes permaneciam inacessíveis para a obtenção de imagens em campo.
Lente de aumento
Numa colaboração com equipas de investigação de Espanha, Bélgica, Reino Unido e China, o físico do HZB, Dr. Sergio Valencia, desenvolveu agora uma abordagem que supera esta limitação. Para tal, a equipa concebeu minúsculos concentradores de fluxo magnético (MFCs) feitos de materiais ferromagnéticos, nos quais são integradas as nano- ou microestruturas a investigar. A geometria dos MFC assemelha-se a uma flor com várias pétalas. Esta geometria concentra o campo magnético aplicado numa região central onde se encontra a amostra. Aumenta o campo magnético local, à semelhança do que uma lupa faz com a luz solar.
Fator 5
«Em2025, conseguimos demonstrar que essas microflores aumentam consideravelmente a sensibilidade dos sensores magnéticos colocados no seu centro. Agora, num novo passo, utilizámo-las para amplificar localmente um campo magnético aplicado numa região minúscula onde se encontra a amostra a ser investigada. E funciona. Agora conseguimos obter imagens de domínios magnéticos até, pelo menos, 150 mT, pelo que o campo local é muito superior ao nosso limite de 30 mT. A razão é que este campo é tão confinado que os eletrões quase não sofrem qualquer desvio», afirma Valencia. Os MFC amplificaram o campo magnético local por um fator de 5; teoricamente, são possíveis aumentos até por fatores de 30. «Ao ajustar a geometria do MFC, podemos controlar com precisão a forma como o campo magnético é amplificado e adaptá-lo à geometria específica da amostra», afirma Valencia.
Teste com duas amostras diferentes
A título de demonstração, a equipa de Valencia examinou duas amostras diferentes de magnetite de origem biológica na estação PEEM do BESSY II: uma cadeia de nanopartículas magnéticas com diâmetros de cerca de 45 nanómetros, sintetizadas naturalmente por bactérias magnetotáticas, e um fóssil com 60 milhões de anos e aproximadamente 2 micrómetros de tamanho. Foi utilizada luz de raios X polarizada para obter sensibilidade magnética durante a obtenção de imagens através do dicroísmo circular magnético de raios X (XMCD-PEEM). Além de demonstrarem a abordagem para aumentar localmente os campos magnéticos, as experiências revelaram também novos conhecimentos: no magnetofóssil gigante, observou-se pela primeira vez a evolução da estrutura do domínio magnético.
Novas perspetivas sobre materiais quânticos
Este trabalho representa um enorme passo em frente para a imagiologia magnética com PEEM. Ao alargar o intervalo acessível de campos magnéticos, aumenta o número de aplicações e sistemas que podem ser investigados, tais como novos sistemas à escala nanométrica com transições de fase magnéticas dependentes do campo e da temperatura, gelo de spin artificial, nanopartículas e nanoestruturas magnéticas, bem como dispositivos espintrónicos antiferromagnéticos, tais como válvulas de spin e junções de magnetorresistência de túnel, incluindo ímanes 2D de van der Waals.
Notavelmente, os MFCs também poderiam ser utilizados para gerar localmente campos magnéticos mais intensos noutras técnicas de microscopia baseadas em eletrões, bem como em técnicas em que as restrições espaciais limitam o tamanho dos sistemas convencionais para gerar campos magnéticos. A este respeito, técnicas como a microscopia de transmissão de raios X, a ptychografia de raios X e a laminografia de raios X também poderiam beneficiar das dimensões à escala micrométrica dos MFC e da sua integração direta com a amostra.
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