以高分辨率分析磁性納米結(jié)構(gòu)是一項測試和測量挑戰(zhàn)，但它對于高級物理學見解以及高密度硬盤和磁帶驅(qū)動器等實際產(chǎn)品都非常重要。自旋電子器件的小型化需要將單個磁性實體密集封裝，但當使用納米級鐵磁體時，由于相鄰比特之間的相互作用而導致的雜散場是堆積密度的主要限制。

[順便說一句，如果您認為磁帶存儲是計算機“恐龍時代”的過時遺物，請再想一想：磁帶驅(qū)動器仍然廣泛用于存檔存儲和異地備份;這是一個巨大且快速增長的市場，每年增長約 10%，提供超高密度盒式磁帶和帶有拾取和放置機架的自動化機器人磁帶處理系統(tǒng)。

哈勒-維滕貝格馬丁路德大學 （MLU） 和哈勒馬克斯普朗克微結(jié)構(gòu)物理研究所的研究人員開發(fā)了一種技術，旨在解決磁性顯微鏡和分辨率問題，使研究人員能夠以大約 70 nm 的分辨率分析磁性納米結(jié)構(gòu)，而普通光學顯微鏡的分辨率僅為 500 nm。他們的結(jié)果對于開發(fā)基于 spin electronics 的新型節(jié)能存儲技術非常重要。

使用納米級鐵磁體時，由于相鄰比特之間的相互作用引起的雜散場是堆積密度的主要限制。自第一個自旋電子學傳感器和磁性隨機存取存儲器以來，一個優(yōu)雅的解決方案是創(chuàng)建由薄鐵磁層形成的合成反鐵磁體。這些層通過薄的金屬反鐵磁 （AF） 耦合層耦合。

最近，人們對將 innately AF 材料用于自旋電子學應用的興趣越來越大，因為這些材料沒有雜散場。然而，由于沒有雜散場，因此很難計算 AF 域的大小以及圖像。通常，人們可以理解這些材料在亞微米尺度上表現(xiàn)出疇結(jié)構(gòu)。

新型自旋電子學方法的固體物理學

這項新技術利用了幾個鮮為人知但重要的固態(tài)物理原理（這里的固態(tài)并不是指硅和電子學中使用的類似器件）;如果您不熟悉或忘記了這些原理，請參閱本文末尾的“感興趣的物理原理”側(cè)邊欄，了解這些原理的摘要。

他們的方法通過使用異常能斯特效應 （ANE） 和金屬納米級尖端來克服光學限制。ANE 在磁性金屬中產(chǎn)生垂直于磁化強度的電壓以及溫度梯度（圖 1）。

ACS 納米 2024， 18， 46， 31949-31956圖1. （a） ANE 成像方法的示意圖。VANE 由橙色箭頭表示的磁化強度的橫向分量和紅色箭頭表示的垂直溫度梯度給出。（b） 在 40 和 ?40 mT 的視場中，V ANE 在寬度為 w = 10 μm 的器件上的線掃描。該設備由波長為 532 nm 的 5 mW 激光束照射，由 60× （NA = 0.7） 物鏡聚焦。插圖顯示了用于測量的器件結(jié)構(gòu)的原理圖。（c，d）如圖所示，在不同器件結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定下來的多域狀態(tài)的 Kerr 和掃描 ANE （SANE） 顯微鏡圖像。

激光束聚焦在力顯微鏡的尖端，在樣品表面產(chǎn)生空間上僅限于納米級的溫度梯度。金屬尖端的作用類似于天線，將電磁場聚焦在其頂點下方的一個小區(qū)域上。這使得 ANE 測量的分辨率比傳統(tǒng)光學顯微鏡所允許的要好得多。

他們使用顯微鏡物鏡聚焦的激光束來產(chǎn)生溫度梯度，同時橫向掃描樣品進行成像。通過使用激光加熱產(chǎn)生可以在整個樣品上進行光柵掃描的局部溫度梯度 （ΔT），ANE 產(chǎn)生的電壓 （VANE） 的空間分辨測量能夠?qū)﹁F磁體和反鐵磁體中的磁疇進行成像。

將 15 nm 厚的面內(nèi) （IP） 磁化 Co20Fe60B20 薄膜圖案化成 10 μm 寬的導線（稱為跑道納米線），并沿導線寬度施加磁場。當激光束穿過導線進行掃描時，他們觀察到了幾毫伏左右的 VANE 信號。

將這種方法應用于磁渦旋的納米級自旋織構(gòu)，使他們能夠了解熱梯度的空間擴散（圖 2）。磁渦流結(jié)構(gòu)導致 IP 磁化強度非?？焖傩D(zhuǎn)，因為渦流芯的寬度只有幾納米。結(jié)果是整個渦旋中相反的面內(nèi)磁化方向之間的納米級轉(zhuǎn)變。

ACS 納米 2024， 18， 46， 31949-31956圖2. （a） 3 × 3 μm2 方形器件的 AFM 高度掃描。（b） 同時測量的二次諧波 ANE 電壓。外部虛線方塊表示設備的邊緣。（c） （b） 中內(nèi)部實心方塊所示的磁渦周圍區(qū)域的高分辨率 ANE 掃描。（d） 在 （c） 所示的虛線矩形區(qū)域中測得的 8 次線掃描的平均 ANE 信號（藍色數(shù)據(jù)點 - 左軸 - 顯示在穿過渦流中心的線掃描中測得的 ANE 信號，如 （c） 中的虛線所示）。該線掃描數(shù)據(jù)配有具有線性背景（黑線）的誤差函數(shù)。然后將擬合誤差函數(shù)的導數(shù)繪制為綠線（右軸）。

通過渦流的 ANE 線掃描使該團隊能夠計算熱梯度的空間分布，該分布由 ANE 線掃描的導數(shù)給出。給定磁線中 ANE 電壓的大小與導致加熱導線的總吸收功率成正比，與導線寬度成反比。ANE 信號的幅度與所有其他幾何因子無關。

為什么基于激光的加熱是有益的

ANE 顯微鏡中使用的基于激光的加熱具有多種優(yōu)勢。首先，整個吸收的能量直接加熱導線，而電阻加熱方法則相反，大部分熱能都散在其他地方。其次，由于電壓與線寬成反比，因此使用 ANE 顯微鏡研究窄線會產(chǎn)生更大的信號。

這種方法還有其他好處。以前的研究只調(diào)查了樣品平面中的磁極化。然而，根據(jù)研究小組的說法，面內(nèi)溫度梯度也很重要，它允許使用 ANE 測量來探測面外極化。最后，由于 ANE 信號與溫度梯度成正比，研究人員可以考慮逆問題并推斷有關納米級溫度分布的信息。

這是一個復雜且有些深奧的項目，幾乎可能會與魔法混淆，但它確實有一些現(xiàn)實世界的研發(fā)影響。詳細信息在他們發(fā)表在 ACS Nano（美國化學學會）上的論文“基于磁納米結(jié)構(gòu)的異常 Nernst 效應近場成像”中。

感興趣的物理原理

• 異常能斯特效應 （ANE）：當施加溫度梯度時，在磁性材料中產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象。電壓垂直于熱流和磁化強度。

• 反鐵磁自旋電子器件：這些材料具有內(nèi)部有序的磁矩，但相鄰的磁矩指向相反的方向，導致凈磁化強度為零。這意味著它們對外部磁場不敏感，不會產(chǎn)生雜散場，使它們更堅固且不易受到干擾。

• 磁渦旋：當電子自旋在平面內(nèi)繞圈旋轉(zhuǎn)時，就會形成磁渦旋。在圓的中心，漩渦變小，最終核心的磁化強度向平面外傾斜，類似于龍卷風。

• Racetrack 納米線：一種用于非易失性存儲器（稱為賽道）的微小磁線，旨在將數(shù)據(jù)存儲為一系列磁疇（位），這些磁疇可以像賽道上的汽車一樣沿著磁疇移動。

• 自旋電子學：也稱為自旋電子學，這是一種固態(tài)器件技術，除了更熟悉的電子電荷外，還利用電子的固有自旋特性及其相關的磁矩。