Группа исследователей из Франции предложила новую методику отображения в наномасштабе границ магнитных доменов в ультратонких ферромагнитных пленках. Надо отметить, что до сих пор решить эту задачу не удавалось никому. Для реализации новой методики на практике ученые использовали точечные дефекты в алмазе (так называемые «азот-вакансии»), размещенном на конце острия сканирующего атомно-силового микроскопа.

Конструкция позволила не только отобразить энергетический «пейзаж» границы домена ферромагнитной пленки, но и переместить эту границу при помощи лазерного луча микроскопа. В перспективе предложенная учеными методика поможет в разработке сложных спинтронных устройств, к примеру, энергонезависимых ячеек так называемой «беговой» (racetrack) памяти.

В ферромагнитных материалах магнитные домены с разной намагниченностью граничат посредством узких «стен» толщиной от 10 до 100 нм.

Внутри границы магнитные моменты отдельных атомов плавно изменяют свою ориентацию (от ориентации, характерной для одного магнитного домена, к ориентации другого). Известно, что подобные границы могут перемещаться вдоль материала, при этом они ведут себя примерно так, как резина, скользящая по шероховатой поверхности. Характер движения в значительной степени зависит от энергетического «ландшафта» поверхности: минимум энергии соответствует минимальному сопротивлению перемещению, в то время как максимумы энергии работают, как сложные для преодоления барьеры.

Границы магнитных доменов могут использоваться для создания новых спинтронных устройств, к примеру, ячеек так называемой «беговой» (racetrack) памяти, в которой данные хранятся в виде последовательности магнитных доменов на нанопроволоке.

Отдельные биты информации записываются и считываются при движении последовательности доменов по нанопроволоке, соответственно, через устройства записи и чтения. Предполагается, что чип такой памяти будет содержать в себе массивы нанопроводов длиной несколько микрон и толщиной около 30 нм. Такой чип сможет хранить сотни гигабайт данных.

В подобных устройствах ученым необходимо точно контролировать положение границ магнитных доменов, а также иметь возможность перемещать их вдоль наноструктуры по собственному желанию. Таким образом,

способность отобразить и охарактеризовать детали границы доменов – важный шаг в направлении развития подобных устройств, который до сих пор не был сделан из-за отсутствия подобающих инструментов.

Группа ученых из ENS Cachan, French National Centre for Scientific Research (CNRS) и Université Paris-Sud (Франция) в своей последней работе сообщила о том, что ей удалось не только получить изображение границ магнитных доменов в наномасштабе, но и наблюдать их перемещения вдоль тонкого ферромагнитного провода. Для этого ученые использовали высокочувствительное сканирование магнитным микроскопом, доработанным при помощи так называемой азот-вакансии в алмазе.

Азот-вакансия возникает, когда атом азота и пустой узел заменяют два соседних узла кристаллической решетки алмаза. Использованный научной группой прибор, фактически, состоит из алмаза нанометрового размера с подобным дефектом, прикрепленного к кантиливеру атомно-силового микроскопа.

При освещении алмаза, содержащего азот-вакансию, зеленым лазерным светом и стимуляции внешним радиочастотным полем, азот-вакансия излучает свет в красной части электромагнитного спектра. Интенсивность этого излучения зависит от локального магнитного поля в исследуемом образце (в данном случае – ферромагнитной нанопроволоки).

По мере продвижения такого датчика вдоль образца, ученые получили возможность определить профиль границ магнитных доменов.

Помимо самих границ магнитных доменов, методика позволила наблюдать их перемещения (известные, как прыжки Баркгаузена). Они смогли управлять этими «прыжками», используя тепло, выделяемое лазерным излучением микроскопа (оно позволило им «перетащить» границу домена вдоль нанопровода и расположить ее в произвольной точке конструкции).

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Science. В своей работе ученые отдельно отмечают, что предложенная техника может использоваться не только для изучения магнитных доменов, но и для исследования любых других магнитных объектов.