Imágenes de la estructura del dominio en una cinta magnética con una sonda NV de exploración. La sonda central NV de diamante de exploración fabricada por fresado FIB demuestra la formación de imágenes de la estructura del dominio magnético de la cinta magnética. Crédito:Toshu An de JAIST.
Desde el descubrimiento de microorganismos en el campo de la biología hasta la obtención de imágenes de átomos en el campo de la física, las imágenes microscópicas han mejorado nuestra comprensión del mundo y han sido responsables de muchos avances científicos. Ahora, con la llegada de la espintrónica y los dispositivos magnéticos en miniatura, existe una creciente necesidad de imágenes a escala nanométrica para detectar propiedades cuánticas de la materia, como espines de electrones, estructura de dominio magnético en ferromagnetos y vórtices magnéticos en superconductores.
Por lo general, esto se hace complementando las técnicas de microscopía estándar, como la microscopía de túnel de barrido y la microscopía de fuerza atómica (AFM), con sensores magnéticos para crear "sondas de magnetometría de barrido" que pueden lograr imágenes y sensores a nanoescala. Sin embargo, estas sondas a menudo requieren condiciones de vacío ultraalto, temperaturas extremadamente bajas y su resolución espacial está limitada por el tamaño de la sonda.
En este sentido, los centros de vacantes de nitrógeno (NV) en el diamante (defectos en la estructura del diamante formados por átomos de nitrógeno adyacentes a "vacantes" creadas por átomos faltantes) han ganado un interés significativo. Resulta que el par NV se puede combinar con AFM para lograr imágenes magnéticas locales y puede operar a temperatura y presión ambiente. Sin embargo, la fabricación de estas sondas involucra técnicas complejas que no permiten mucho control sobre la forma y el tamaño de la sonda.
En un nuevo estudio dirigido por el profesor asociado Toshu An del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Japón (JAIST), y Yuta Kainuma, Ph.D. estudiante de JAIST, en colaboración con investigadores de la Universidad de Kyoto, Japón, y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industriales Avanzadas, Japón, abordó este problema y fabricó sondas de diamante que alojan NV utilizando una técnica novedosa que combina corte por láser y haz de iones enfocado (FIB) procesamiento que permitió un alto grado de libertad de procesamiento y control sobre la forma de la sonda. Este documento estuvo disponible en línea el 28 de diciembre de 2021 y se publicó en el Volumen 130 Número 24 del Journal of Applied Physics .
Para empezar, el equipo creó centros N-V en diamantes a granel implantándoles iones de nitrógeno. Luego, pulieron la superficie opuesta y produjeron múltiples piezas en forma de varilla con corte por láser. Conectaron una de las varillas de diamante a la punta de una sonda AFM y utilizaron el procesamiento FIB para convertir la superficie frontal de la varilla de diamante en la forma final de la sonda. "FIB usa iones de galio para dar forma a la sonda. Sin embargo, estos iones pueden crear vacantes en la estructura del diamante alterando el estado de carga del defecto NV. Para evitar esto, usamos un patrón de fresado en forma de rosquilla alrededor del centro de la sonda para evitar cualquier daño al centro NV", explica el Dr. An. La sonda final fue un micropilar compuesto por 103 centros NV con un diámetro de 1,3 µm y una longitud de 6 µm.
Usando la sonda, el equipo tomó imágenes de la estructura del dominio magnético periódico en una cinta magnética. "Tomamos imágenes de los campos magnéticos perdidos de la estructura del dominio magnético mediante el mapeo de la intensidad de la fotoluminiscencia a una frecuencia de microondas fija y las frecuencias de resonancia en los espectros de resonancia magnética detectados ópticamente", explica el Dr. An.
El equipo es optimista de que el nuevo método de fabricación ampliará la aplicabilidad de las sondas de imágenes cuánticas. "En los últimos años, se ha buscado el desarrollo de nuevos dispositivos para resolver problemas ambientales y energéticos y lograr una prosperidad sostenible de la sociedad humana. Se espera que la tecnología de medición y detección cuántica reforme completamente el sistema que respalda la infraestructura social en el futuro. En En este sentido, nuestra técnica de fabricación podría ayudar a impulsar los esfuerzos en la realización de imágenes cuánticas a nanoescala", dice el Dr. An. La técnica combinada que utiliza sondas de diamante permite obtener imágenes a nanoescala de estructuras de vórtices magnéticos
