För första gången, fysiker har framgångsrikt avbildat spiralmagnetisk ordning i ett multiferroiskt material. Dessa material anses vara mycket lovande kandidater för framtida datalagringsmedier. Forskarna kunde bevisa sina resultat med unika kvantsensorer som utvecklats vid Basel University och som kan analysera elektromagnetiska fält på nanometerskalan. Resultaten - erhållna av forskare från University of Basel's Department of Physics, Swiss Nanoscience Institute, University of Montpellier och flera laboratorier från University Paris-Saclay-publicerades nyligen i tidskriften Natur .

Multiferroics är material som samtidigt reagerar på elektriska och magnetiska fält. Dessa två fastigheter finns sällan tillsammans, och deras kombinerade effekt gör det möjligt att ändra den magnetiska ordningen av material med hjälp av elektriska fält.

Detta erbjuder särskild potential för nya datalagringsenheter:multiferroiska material kan användas för att skapa magnetiska lagringsmedier i nanoskala som kan dechiffreras och modifieras med hjälp av elektriska fält.

Magnetiska medier av detta slag skulle förbruka mycket lite ström och arbeta med mycket höga hastigheter. De kan också användas i spintronik - en ny form av elektronik som använder elektroners spinn och elektrisk laddning.

Spiral magnetisk beställning

Bismutferrit är ett multiferroiskt material som uppvisar elektriska och magnetiska egenskaper även vid rumstemperatur. Medan dess elektriska egenskaper har studerats på djupet, det fanns ingen lämplig metod för att representera magnetisk ordning på nanometerskalan förrän nu.

Gruppen som leds av Georg-H.-Endress-professor Patrick Maletinsky från Swiss Nanoscience Institute och University of Basel Department of Physics, har utvecklat kvantgivare baserade på diamanter med kvävevakanscentra. Detta tillät dem, i samarbete med kollegor vid University of Montpellier och University Paris-Saclay i Frankrike, för att för första gången skildra och studera den magnetiska ordningen av en tunn vismutferritfilm, som de rapporterar in Natur .

Att veta hur elektronspinnarna beter sig och hur magnetfältet ordnas är av avgörande betydelse för framtida tillämpning av multiferroiska material som datalagring.

Forskarna kunde visa att vismutferrit uppvisar spiralmagnetisk ordning, med två överlagrade elektronspinn (visas i rött och blått på bilden) som antar motsatta riktningar och roterar i rymden, medan man tidigare antog att denna rotation ägde rum inom ett plan. Enligt forskarna, kvantsensorerna visar nu att en liten lutning i dessa motsatta snurr leder till rumslig rotation med en liten vridning.

"Våra diamantkvantsensorer tillåter inte bara kvalitativ utan även kvantitativ analys. Detta innebar att vi kunde få en detaljerad bild av snurrkonfigurationen i multiferroics för första gången, "förklarar Patrick Maletinsky." Vi är övertygade om att detta kommer att bana väg för framsteg inom forskning om dessa lovande material. "

Vakanser med specialfastigheter

Kvantsensorerna de använde består av två små monokristallina diamanter, vars kristallgaller har en vakans och en kväveatom i två angränsande positioner. Dessa kvävevakanscentra innehåller kretsande elektroner vars snurr reagerar mycket känsligt på yttre elektriska och magnetiska fält, så att fälten kan avbildas med en upplösning på bara några nanometer.

Forskare vid universitetet i Montpellier tog de magnetiska mätningarna med hjälp av de kvantsensorer som producerades i Basel. Proverna levererades av experter från CNRS/Thales-laboratoriet vid University Paris-Saclay, som är ledande lampor inom forskning om vismutferrit.

Kvantgivare för marknaden

De kvantsensorer som används i forskningen är lämpliga för att studera ett brett spektrum av material, eftersom de ger exakt detaljerade kvalitativa och kvantitativa data både vid rumstemperatur och vid temperaturer nära absolut noll.

För att göra dem tillgängliga för andra forskargrupper, Patrick Maletinsky grundade uppstarten Qnami 2016 i samarbete med Dr. Mathieu Munsch. Qnami producerar diamantsensorerna och ger applikationsråd till sina kunder från forskning och industri.