Obtener una comprensión precisa de las estructuras magnéticas es uno de los principales objetivos de la física del estado sólido. Actualmente se están llevando a cabo importantes investigaciones en este campo, el objetivo es desarrollar futuras aplicaciones de procesamiento de datos que utilicen pequeñas estructuras magnéticas como portadores de información. Físicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) y del Helmholtz Institute Mainz (HIM) presentaron recientemente un nuevo método para investigar estructuras magnéticas que combinan dos técnicas diferentes. Esto permite medir y mapear la magnetización así como los campos magnéticos de la muestra. En el proyecto participaron físicos atómicos del grupo de trabajo dirigido por el profesor Dmitry Budker y el equipo de físicos experimentales del estado sólido dirigido por el profesor Mathias Kläui. Los hallazgos se han publicado en Revisión física aplicada .

"En este proyecto, combinamos dos técnicas de detección cuántica que nunca antes se habían utilizado juntas para analizar una muestra, "explicó Till Lenz, primer autor del artículo y doctorando en el grupo de Budker. Un método bien conocido empleado en la física del estado sólido utiliza el efecto magnetoóptico de Kerr (MOKE) para detectar campos magnéticos y magnetización. "Pero esto nos da solo una cantidad limitada de información, "dijo Lenz. Por esta razón, los investigadores decidieron combinar el efecto Kerr con métodos de magnetometría que utilizan los llamados centros de color de diamante para permitir también el mapeo de campos magnéticos. "Esperamos que esto conduzca a nuevos conocimientos en lo que respecta a la física del estado sólido y las estructuras ferromagnéticas, "afirmó Georgios Chatzidrosos, también estudiante de doctorado en el grupo Budker. El profesor Mathias Kläui está entusiasmado con las nuevas capacidades de medición:"El uso de sondas de diamante proporciona una sensibilidad que abre opciones completamente nuevas con respecto a los potenciales de medición".

Los nuevos métodos de medición combinados se pueden utilizar en una amplia gama de diferentes condiciones ambientales.

El diamante no solo es una piedra preciosa, sino que también se utiliza para fabricar herramientas de corte y esmerilado. Los defectos específicos en la red cristalina del diamante dan como resultado propiedades que pueden usarse para examinar estructuras magnéticas. Estos centros de color, también conocidos como centros de vacantes de nitrógeno, son defectos puntuales en la estructura de celosía de carbono del diamante. El grupo de investigación dirigido por el profesor Dmitry Budker utiliza estos centros de color en el diamante como sondas para medir fenómenos magnéticos.

Los magnetómetros con base de diamante pueden funcionar a temperaturas muy bajas y también a temperaturas superiores a la temperatura ambiente. mientras que las distancias requeridas entre la muestra y la sonda pueden ser minúsculas, en el rango de unos pocos nanómetros. "Tenemos una fina capa de defectos de nitrógeno en un cristal de diamante y con esto podemos mapear estructuras magnéticas y tomar fotografías de campos magnéticos". ", explicó el Dr. Arne Wickenbrock del grupo Budker. Y el coautor, el Dr. Lykourgos Bougas, agregó:" Al mapear todos los componentes de un campo magnético, podemos complementar y ampliar las posibilidades que ofrecen las mediciones magnetoópticas ".

"La sonda que funciona con la ayuda de los centros de color del diamante es mucho más sensible que las herramientas convencionales y nos proporciona resultados extremadamente buenos. Podemos acceder a algunas muestras fascinantes, lo que se traduce en oportunidades únicas de cooperación, "enfatizó el profesor Mathias Kläui, describiendo la ventaja de la colaboración entre los dos grupos de investigación. "La combinación de nuestras técnicas de medición complementarias permite la reconstrucción completa de las propiedades magnéticas de nuestras muestras". El artículo publicado recientemente es producto del trabajo en equipo dentro del Área de Investigación de Nivel Superior de Dinámica y Topología (TopDyn) en JGU, que está financiado por el estado de Renania-Palatinado. Además, el trabajo también se llevó a cabo en el marco del proyecto 3D MAGiC, que se lanzó en colaboración con Forschungszentrum Jülich y Radboud University Nijmegen en los Países Bajos y ha recibido una beca ERC Synergy.

Para citar el artículo publicado en Physical Review Applied:"Nuestro concepto representa una plataforma novedosa para la obtención de imágenes de campo amplio de la magnetización y los campos magnéticos resultantes de las estructuras magnéticas utilizando sensores magnéticos de diamante diseñados y una configuración óptica que permite ambas modalidades de medición". Además de los dos grupos de trabajo JGU y HIM, También participó el profesor Yannick Dumeige de la Université de Rennes 1 en Francia, quien, como receptor del Premio de Investigación Friedrich Wilhelm Bessel de la Fundación Alexander von Humboldt en 2018, también trabajó con el grupo Budker. Profesor Kai-Mei Fu, físico de la Universidad de Washington, También participó en el proyecto como Visitante Distinguido de HIM.

Mirando hacia el futuro, los socios de la cooperación planean emplear la nueva técnica para analizar diversos aspectos multidisciplinares que son de especial interés para los respectivos grupos. Estos incluyen la investigación de materiales magnéticos bidimensionales, los efectos magnéticos de la quiralidad molecular, y superconductividad a alta temperatura.