Упорядочение магнитных моментов (спинов) атомов в твердых телах приводит к возникновению таких коллективных явлений, как, например, ферромагнетизм и антиферромагнетизм.

Чтобы разобраться в деталях магнитного строения вещества на масштабе порядка нанометра, экспериментальную информацию об ориентации спинов нужно уметь получать с атомным разрешением. Такую информацию дает, в принципе, сканирующая спин-поляризационная микроскопия [1].

Но она годится только для проводящих материалов. Магнитная силовая микроскопия [2] применима как к металлам, так и к полупроводникам с диэлектриками и часто используется для изучения доменной структуры. Но она не позволяет достичь атомного разрешения, поскольку основана на дальнодействующих магнитоупругих силах.

Для устранения этого недостатка было предложено изготавливать иглу микроскопа из магнитного материала, что делает возможным регистрацию короткодействующего обменного взаимодействия между спинами поверхностных атомов и спинами атомов, расположенных на острие иглы. Эта методика получила название магнитной обменно-силовой микроскопии (Magnetic Exchange Force Microscopy, MExFM) [3].

Рис.1. Схематическая иллюстрация MExFM. Ферромагнитная игла вблизи поверхности NiO

Первые попытки практического применения MExFM не дали, однако, желаемого результата: разрешающей способности оказалось недостаточно для определения ориентаций спинов отдельных атомов. В работе [4] немецких физиков из Университета Гамбурга методика MExFM была усовершенствована следующим образом. Иглу микроскопа, покрытую тонким ферромагнитным слоем железа, помещали в параллельное ей магнитное поле с B = 5 Тл, которое ориентировало спины атомов Fe перпендикулярно поверхности исследуемого образца и усиливало тем самым их взаимодействие со спинами поверхностных атомов. Игла микроскопа крепится к свободному концу кантилевера и колеблется с резонансной частотой, которая зависит от силы, действующей на иглу со стороны образца. Сканирование вдоль поверхности позволяет определить не только ее атомную структуру, но и ориентацию спинов поверхностных атомов.

В работе [4] эта методика была апробирована на антиферромагнитном диэлектрике NiO, у которого спины атомов Ni в каждой атомной плоскости {111} упорядочены ферромагнитным образом, а в каждой паре соседних плоскостей – антиферромагнитным (см. рис.). Внешнее поле не нарушает этот порядок, поскольку зеемановская энергия много меньше энергии взаимодействия между спинами атомов Ni. Авторы [4] отмечают, что методика MExFM может использоваться для исследования не только статического спинового порядка, но и для изучения динамических процессов, в том числе прецессии спинов и спиновых волн. Она может помочь и при решении такого фундаментального вопроса, как микроскопический механизм обменного взаимодействия в том или ином магнитном материале.