磁気熱イメージングでシンクロトロン機能をラボへ

October, 15, 2021, Ithaca--以前は､シンクロトロンファシリティでのみ利用できたナノスケール､ピコ秒分解能の磁気熱イメージング法が､間もなくラボのテーブルトップになる｡

空間､時間分解能におけるこのイノベーションにより研究者は､金属から絶縁体まで､幅広い材料の磁気特性を驚くほど見通すことができる｡全てラボの快適環境から見ることができるので､磁気ストレージデバイスの開発を促進する可能性がある｡

｢磁気X線顕微鏡は､比較的稀である｣とプロジェクトリーダー､応用物理学､工学物理学准教授Greg Fuchsは言う｡｢この種の空間･時間分解能の磁気顕微鏡は､極めて稀である｡通常､空間か時間のいずれかを選択しなければならない｡両方をとることはできない｡それが可能な場所は世界に4箇所､5箇所程度だ｡したがってテーブルトップでそれができることにより､実際にナノスケールでスピンダイナミクスの研究を可能になる｣｡

研究成果は､Nano Lettersに発表された｡

論文は､磁気熱顕微鏡で磁気イメージングを研究したFuchsグループの10年近くの研究成果の頂点である｡材料に光､電子あるいはX線を当てる代わりに､グループはスキャニングプローブに集束したレーザを使って熱を微小なサンプルに適用し､局所磁気情報を得るために結果としての電圧を計測した｡

Fuchsのチームは､このアプローチを研究し､数年をかけて､温度勾配が時間と空間でどのように進化するかを理解した｡

｢熱は､非常に緩慢な拡散プロセスと考えられるが､実際､ナノメートルスケールの拡散は,ピコ秒である｡そこが重要な洞察である｡それによってわれわれは時間分解能を達成した｡光は波であり､回折する｡光は,非常に小さな長さのスケールでは､消失に時間がかからないが､熱は違う｣(Fuchs)｡

以前､グループは､その技術を使って反磁性材料､また磁気金属や絶縁体をイメージング､操作しようとした｡それらは磁界を生成しないので､研究が難しい｡

レーザを集光することは容易であるが､大きな障害は､そのプロセスを機能させるために､光を閉込め､ナノメートルスケールで十分な熱を生成することである｡また､そのスケールでの現象の中には非常に素早いものがあるので､イメージングは､同様に迅速でなければならない｡

｢ものが小刻みに動いている磁気には多くの状況があり､またそれは小さい｡また､これが､基本的に必要とされるところである｣(Fuchs)｡

チームが､そのプロセスを改良し､空間分解能100nm､時間分解能100psを達成したので､チームは磁気の実際の細部､スキルミオン､磁気秩序が捻れる擬粒子などを探求することができる｡この種の｢スピン構造｣を理解することは､新しい高速､高密度磁気記憶装置やロジック技術につながる｡

磁気だけでなく､その技術の電圧依存は､電圧が材料と相互作用する際､電流密度の計測にそれが使えることを意味する｡これは新しいアプローチである｡他のイメージング技術は､電流が生成する磁界を計測することで電流を計測するのであって､電流そのものではないからである｡

磁気熱顕微鏡には制約がある｡サンプルは電気接点構成が必要であるので､材料はデバイスにパタン化されなければならない｡結果として,その技術は大きなサンプルには適用できない｡また､デバイスとスキャニングプローブは､共に拡大縮小されなければならない｡したがって､ナノスケールで現象を計測したいなら､サンプルは小さくなければならない｡

しかし､そのような制約は､われわれのラボにおける比較的ローコストの磁気熱顕微鏡形態に比べれば小さなものである｡

｢現在､この種の計測を行うには､シンクロトロンファシリティなどの公共施設へ行く必要がある｡提案を書き､ビーム時間を得て､よくても､作業まで恐らく数週間待つ｡望む結果が得られないと､さらに数ヶ月かかる｡したがって､これは､その分野における進歩になる｣とZhangはコメントしている｡
(詳細は､https://news.cornell.edu/)