Att få en exakt förståelse för magnetiska strukturer är ett av huvudmålen med fasta tillståndets fysik. Betydande forskning pågår för närvarande inom detta område, Målet är att utveckla framtida databehandlingsapplikationer som använder små magnetiska strukturer som informationsbärare. Fysiker vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) och Helmholtz Institute Mainz (HIM) presenterade nyligen en ny metod för att undersöka magnetiska strukturer som kombinerar två olika tekniker. Detta gör det möjligt att mäta och kartlägga magnetiseringen såväl som de magnetiska fälten i provet. Inblandade i projektet var atomfysiker från arbetsgruppen ledd av professor Dmitry Budker och teamet av experimentella fasta tillståndsfysiker ledd av professor Mathias Kläui. Fynden har publicerats i Fysisk granskning tillämpas .

"I det här projektet kombinerade vi två kvantavkänningstekniker som aldrig tidigare hade använts tillsammans för att analysera ett prov, " förklarade Till Lenz, artikelförfattare och doktorand i Budkers grupp. En välkänd metod som används inom fasta tillståndets fysik använder den magneto-optiska Kerr-effekten (MOKE) för att detektera magnetfält och magnetisering. "Men detta ger oss bara en begränsad mängd information, sade Lenz. Av denna anledning, forskarna bestämde sig för att kombinera Kerr-effekten med magnetometrimetoder som utnyttjar så kallade diamantfärgcentra för att även möjliggöra kartläggning av magnetfält. "Vi hoppas att detta kommer att leda till nya insikter när det gäller fasta tillståndets fysik och ferromagnetiska strukturer, " sade Georgios Chatzidrosos, även doktorand i Budkergruppen. Professor Mathias Kläui är entusiastisk över de nya mätmöjligheterna:"Användningen av diamantsonder ger en känslighet som öppnar upp helt nya alternativ med avseende på mätpotentialer."

Nya kombinerade mätmetoder kan användas i en mängd olika omgivningsförhållanden

Diamant är inte bara en ädelsten utan används också för att göra skär- och slipverktyg. Specifika defekter i diamantkristallgittret resulterar i egenskaper som kan användas för att undersöka magnetiska strukturer. Dessa färgcentra, även känd som kvävevakanscenter, är punktdefekter i diamantens kolgitterstruktur. Forskargruppen ledd av professor Dmitry Budker använder dessa färgcentra i diamant som sonder för att mäta magnetiska fenomen.

Diamantbaserade magnetometrar kan fungera vid mycket låga temperaturer samt vid temperaturer över rumstemperatur, medan avstånden som krävs mellan prov och sond kan vara mycket små, inom intervallet bara några nanometer. "Vi har ett tunt lager av kvävedefekter i en diamantkristall och med detta kan vi kartlägga magnetiska strukturer och ta bilder av magnetfält, " förklarade Dr. Arne Wickenbrock från Budker-gruppen. Och medförfattaren Dr. Lykourgos Bougas tillade:"Genom att kartlägga alla komponenter i ett magnetfält, vi kan komplettera och utöka de möjligheter som magneto-optiska mätningar erbjuder."

"Sonden som fungerar med hjälp av diamantfärgcentra är mycket känsligare än konventionella verktyg och ger oss extremt bra resultat. Vi har tillgång till några fascinerande prover, vilket resulterar i unika möjligheter till samarbete, " betonade professor Mathias Kläui, som beskriver fördelen med samarbetet mellan de två forskargrupperna. "Att kombinera våra kompletterande mättekniker möjliggör en fullständig rekonstruktion av de magnetiska egenskaperna hos våra prover." Den nyligen publicerade artikeln är produkten av lagarbete inom toppnivåforskningsområdet Dynamics and Topology (TopDyn) vid JGU, som finansieras av delstaten Rheinland-Pfalz. Dessutom, arbetet utfördes också under 3D MAGiC-projektets paraply, som lanserades i samarbete med Forschungszentrum Jülich och Radboud University Nijmegen i Nederländerna och har tilldelats ett ERC Synergy Grant.

För att citera artikeln publicerad i Physical Review Applied:"Vårt koncept representerar en ny plattform för bredfältsavbildning av magnetiseringen och de resulterande magnetfälten hos magnetiska strukturer med hjälp av konstruerade magnetiska diamantsensorer och en optisk uppsättning som möjliggör båda mätmetoderna." Förutom de två JGU- och HIM-arbetsgrupperna, Professor Yannick Dumeige vid Université de Rennes 1 i Frankrike var också involverad, som som mottagare av ett Friedrich Wilhelm Bessel Research Award från Alexander von Humboldt Foundation 2018 också arbetat med Budker-gruppen. Professor Kai-Mei Fu, fysiker vid University of Washington, deltog även i projektet som HIM Distinguished Visitor.

Med blicken mot framtiden, samarbetspartnerna planerar att använda den nya tekniken för att analysera olika multidisciplinära aspekter som är av särskilt intresse för respektive grupper. Dessa inkluderar att undersöka tvådimensionella magnetiska material, de magnetiska effekterna av molekylär kiralitet, och supraledning vid hög temperatur.