即将来到您附近的实验室桌面：一种磁热成像方法，可提供以前仅在同步加速器设施中可用的纳米级和皮秒分辨率。这种空间和时间分辨率的创新将使研究人员在实验室中舒适地观察从金属到绝缘体的一系列材料的磁特性，从而有可能促进磁存储设备的发展。
“磁性X射线显微镜是一种相对稀有的鸟类，”负责该项目的应用和工程物理学副教授格雷格·福克斯说。“能够做到这种空间和时间分辨率的磁性显微镜非常少见。通常，你必须选择空间或时间。你不能同时获得它们。世界上只有大约四五个地方具有这种能力。因此，能够在桌面上进行这项工作确实可以实现纳米级的自旋动力学研究。”
他的团队的论文“Nanoscale Magnetization and Current Imaging Using Time-Resolved Scanning-Probe Magnetothermal Microscopy”于 6 月 8 日发表在化学学会的Nano Letters 杂志上。第一作者是博士后研究员张驰。
这篇论文是 Fuchs 小组近 10 年努力探索磁热显微镜磁成像的结晶。研究人员不是用光、电子或 X 射线对材料进行爆破，而是使用聚焦在扫描探针上的激光将热量施加到样品的微观条带上，并测量由此产生的电压以获取局部磁信息。
Fuchs 和他的团队率先采用了这种方法，多年来，他们已经了解了温度梯度如何随时间和空间演变。
“你认为热量是一个非常缓慢的扩散过程，”Fuchs 说。“但实际上，纳米长度尺度上的扩散有皮秒时间。这是一个关键的洞察力。这就是给我们时间分辨率的原因。光是一种波和衍射。它不想在这些非常小的长度尺度上存活下来. 但热量可以。
该小组之前曾使用该技术对反铁磁材料(由于不产生磁场而难以研究)以及磁性金属和绝缘体进行成像和操作。
虽然聚焦激光很容易，但主要障碍是限制光并在纳米尺度上产生足够的热量以使该过程正常工作。而且因为这种规模的一些现象发生得如此之快，成像需要同样快速。
Fuchs 说：“在磁性中有很多情况，东西在摆动，而且很小。这基本上就是你所需要的。”
现在，他们已经改进了该过程并成功实现了100 纳米的空间分辨率和低于 100 皮秒的时间分辨率，该团队可以探索磁性的真正细节，例如斯格明子、磁序扭曲的准粒子。了解这些类型的“自旋纹理”可能会导致新的高速、高密度磁存储和逻辑技术。
除了磁性之外，该技术对电压的依赖意味着当电压与材料相互作用时，它可用于测量电流密度。这是一种新颖的方法，因为其他成像技术通过测量电流产生的磁场而不是电流本身来测量电流。
磁热显微镜确实有局限性。由于样品需要配置电触点，因此必须将材料图案化到设备中。因此，该技术不能应用于批量样品。此外，设备和扫描探头必须一起缩放。所以如果你想在纳米尺度上测量一种现象，样本必须很小。
但是，与您自己实验室中相对低成本形式的磁热显微镜的优势相比，这些限制是微不足道的。
“现在，人们必须去公共设施，比如同步加速器设施，才能进行这些类型的测量，”张说。“你写了一份提案，你得到了时间，你最多有几个星期的时间来工作。如果你没有得到你想要的结果，那么可能再过几个月。所以这将是进步场。”