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磁性和自旋

磁性和自旋

3D纳米涡旋出现

重建的3D磁性结构
重建的3D磁性结构的快照。 (图片来源:克莱尔·唐纳利(Claire Donnelly)

涡旋,畴壁和其他磁性现象以复杂和动态的方式表现,但迄今为止,成像技术的局限性一直使研究人员无法从两个以上的角度观察它们。英国和瑞士的科学家现在已经找到了解决这一障碍的方法。根据物理学家 克莱尔·唐纳利与剑桥大学,苏黎世联邦理工学院和瑞士光源大学的同事一起领导这项工作的科学家们,他们的新技术将使物理学家对3D磁性材料的工作原理以及如何将其用于未来的应用有更深入的了解。

材料的磁化强度的变化在时间和空间上都是纳米级的。测量这些微小的,快速变化的细节非常具有挑战性,因此,科学家通常将其研究限于平坦的样本。虽然最近已使用诸如X射线,中子和电子断层扫描等技术演示了三维成像,但所获得的图像是静态的,无法显示磁性结构随时间的演变情况。

很难捕获三个方向的磁化强度变化的一个原因是,磁化强度可以指向任何方向。这意味着,在研究磁性材料的3D样本时,需要在测量过程中更改样本相对于其旋转轴的方向,以便测量磁化强度的所有三个空间分量(x,y,z)。

高能X射线探头

这并非易事,因此Donnelly及其同事使用高能同步加速器X射线的短而快的脉冲来沿不同方向探测3D磁性结构(在这种情况下为a钴微盘)的磁性状态。这项技术被团队称为时间分辨磁层照相技术,使他们能够测量磁态如何响应交变的施加的振荡磁场而发生变化,研究人员将其与X射线脉冲的频率同步。

由于采用了专门开发的重建算法,该团队获得了一个七维测量数据集:三个维度表示磁化状态的位置,三个维度表示其方向,一个维度表示时间。结果实际上是在7皮秒的时间分辨率和50纳米的空间分辨率下均匀分布在2 ns上的七个不同时间步的磁化动力学图。

Donnelly说,在某些方面,该团队的方法类似于计算机断层扫描(CT),该技术已广泛用于许多领域的3D成像,包括医院的CT扫描。层照相术涉及针对样品的许多不同方向测量磁性结构的2D投影。重要的是,要测量的微盘的旋转轴不垂直于X射线束,因此该小组能够访问磁化方向的所有三个空间分量。

迈向新一代技术设备

研究人员在实验中观察到了两种主要的磁化动力学类型:磁涡流的3D往复运动;和磁化矢量的进动。这种结构的运动以前仅在二维上观察到。

唐纳利说,这项新技术可以帮助研究人员更好地了解磁性材料。可以研究众所周知的结构,例如永磁体和感应材料,它们都广泛用于传感和能源生产中,以提高其性能。 Donnelly补充说,人们对3D磁性纳米结构也越来越感兴趣,据预测它们具有2D对应物难以实现的全新特性和功能。这些纳米结构不仅可以提供对现象物理的洞察力,例如超高畴壁速度和磁手性效应,还可以构成新一代技术设备的基础,从而提高信息传输率和数据存储密度。

她说:“这是一个非常令人兴奋的研究领域。” 物理世界。 “借助我们的新技术,磁性材料社区现在将能够测量和理解这些系统-并有望开发其性能。”

该研究描述于 自然纳米技术.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者