激光驱动显微镜以纳米级分辨率分析磁性微结构

以高分辨率分析磁性纳米结构是一项测试和测量挑战，但它对于高级物理学见解以及高密度硬盘和磁带驱动器等实际产品都非常重要。自旋电子器件的小型化需要将单个磁性实体密集封装，但当使用纳米级铁磁体时，由于相邻比特之间的相互作用而导致的杂散场是堆积密度的主要限制。

[顺便说一句，如果您认为磁带存储是计算机“恐龙时代”的过时遗物，请再想一想：磁带驱动器仍然广泛用于存档存储和异地备份;这是一个巨大且快速增长的市场，每年增长约 10%，提供超高密度盒式磁带和带有拾取和放置机架的自动化机器人磁带处理系统。

哈勒-维滕贝格马丁路德大学 （MLU） 和哈勒马克斯普朗克微结构物理研究所的研究人员开发了一种技术，旨在解决磁性显微镜和分辨率问题，使研究人员能够以大约 70 nm 的分辨率分析磁性纳米结构，而普通光学显微镜的分辨率仅为 500 nm。他们的结果对于开发基于 spin electronics 的新型节能存储技术非常重要。

使用纳米级铁磁体时，由于相邻比特之间的相互作用引起的杂散场是堆积密度的主要限制。自第一个自旋电子学传感器和磁性随机存取存储器以来，一个优雅的解决方案是创建由薄铁磁层形成的合成反铁磁体。这些层通过薄的金属反铁磁 （AF） 耦合层耦合。

最近，人们对将 innately AF 材料用于自旋电子学应用的兴趣越来越大，因为这些材料没有杂散场。然而，由于没有杂散场，因此很难计算 AF 域的大小以及图像。通常，人们可以理解这些材料在亚微米尺度上表现出畴结构。

新型自旋电子学方法的固体物理学

这项新技术利用了几个鲜为人知但重要的固态物理原理（这里的固态并不是指硅和电子学中使用的类似器件）;如果您不熟悉或忘记了这些原理，请参阅本文末尾的“感兴趣的物理原理”侧边栏，了解这些原理的摘要。

他们的方法通过使用异常能斯特效应 （ANE） 和金属纳米级尖端来克服光学限制。ANE 在磁性金属中产生垂直于磁化强度的电压以及温度梯度（图 1）。

ACS 纳米 2024， 18， 46， 31949-31956图1. （a） ANE 成像方法的示意图。VANE 由橙色箭头表示的磁化强度的横向分量和红色箭头表示的垂直温度梯度给出。（b） 在 40 和 −40 mT 的视场中，V ANE 在宽度为 w = 10 μm 的器件上的线扫描。该设备由波长为 532 nm 的 5 mW 激光束照射，由 60× （NA = 0.7） 物镜聚焦。插图显示了用于测量的器件结构的原理图。（c，d）如图所示，在不同器件结构中稳定下来的多域状态的 Kerr 和扫描 ANE （SANE） 显微镜图像。

激光束聚焦在力显微镜的尖端，在样品表面产生空间上仅限于纳米级的温度梯度。金属尖端的作用类似于天线，将电磁场聚焦在其顶点下方的一个小区域上。这使得 ANE 测量的分辨率比传统光学显微镜所允许的要好得多。

他们使用显微镜物镜聚焦的激光束来产生温度梯度，同时横向扫描样品进行成像。通过使用激光加热产生可以在整个样品上进行光栅扫描的局部温度梯度 （ΔT），ANE 产生的电压 （VANE） 的空间分辨测量能够对铁磁体和反铁磁体中的磁畴进行成像。

将 15 nm 厚的面内 （IP） 磁化 Co20Fe60B20 薄膜图案化成 10 μm 宽的导线（称为跑道纳米线），并沿导线宽度施加磁场。当激光束穿过导线进行扫描时，他们观察到了几毫伏左右的 VANE 信号。

将这种方法应用于磁涡旋的纳米级自旋织构，使他们能够了解热梯度的空间扩散（图 2）。磁涡流结构导致 IP 磁化强度非常快速旋转，因为涡流芯的宽度只有几纳米。结果是整个涡旋中相反的面内磁化方向之间的纳米级转变。

ACS 纳米 2024， 18， 46， 31949-31956图2. （a） 3 × 3 μm2 方形器件的 AFM 高度扫描。（b） 同时测量的二次谐波 ANE 电压。外部虚线方块表示设备的边缘。（c） （b） 中内部实心方块所示的磁涡周围区域的高分辨率 ANE 扫描。（d） 在 （c） 所示的虚线矩形区域中测得的 8 次线扫描的平均 ANE 信号（蓝色数据点 - 左轴 - 显示在穿过涡流中心的线扫描中测得的 ANE 信号，如 （c） 中的虚线所示）。该线扫描数据配有具有线性背景（黑线）的误差函数。然后将拟合误差函数的导数绘制为绿线（右轴）。

通过涡流的 ANE 线扫描使该团队能够计算热梯度的空间分布，该分布由 ANE 线扫描的导数给出。给定磁线中 ANE 电压的大小与导致加热导线的总吸收功率成正比，与导线宽度成反比。ANE 信号的幅度与所有其他几何因子无关。

为什么基于激光的加热是有益的

ANE 显微镜中使用的基于激光的加热具有多种优势。首先，整个吸收的能量直接加热导线，而电阻加热方法则相反，大部分热能都散在其他地方。其次，由于电压与线宽成反比，因此使用 ANE 显微镜研究窄线会产生更大的信号。

这种方法还有其他好处。以前的研究只调查了样品平面中的磁极化。然而，根据研究小组的说法，面内温度梯度也很重要，它允许使用 ANE 测量来探测面外极化。最后，由于 ANE 信号与温度梯度成正比，研究人员可以考虑逆问题并推断有关纳米级温度分布的信息。

这是一个复杂且有些深奥的项目，几乎可能会与魔法混淆，但它确实有一些现实世界的研发影响。详细信息在他们发表在 ACS Nano（美国化学学会）上的论文“基于磁纳米结构的异常 Nernst 效应近场成像”中。

感兴趣的物理原理

• 异常能斯特效应 （ANE）：当施加温度梯度时，在磁性材料中产生电压的现象。电压垂直于热流和磁化强度。

• 反铁磁自旋电子器件：这些材料具有内部有序的磁矩，但相邻的磁矩指向相反的方向，导致净磁化强度为零。这意味着它们对外部磁场不敏感，不会产生杂散场，使它们更坚固且不易受到干扰。

• 磁涡旋：当电子自旋在平面内绕圈旋转时，就会形成磁涡旋。在圆的中心，漩涡变小，最终核心的磁化强度向平面外倾斜，类似于龙卷风。

• Racetrack 纳米线：一种用于非易失性存储器（称为赛道）的微小磁线，旨在将数据存储为一系列磁畴（位），这些磁畴可以像赛道上的汽车一样沿着磁畴移动。

• 自旋电子学：也称为自旋电子学，这是一种固态器件技术，除了更熟悉的电子电荷外，还利用电子的固有自旋特性及其相关的磁矩。