Nu kan magnetism mätas med nanoprecision

23 januari 2014

Kunskap om magnetiskt material på nanometerskala (d.v.s. 10-9 m) är oumbärlig för utvecklingen av framtidens spinnelektroniska komponenter. Ett hinder i denna utveckling är att det hittills inte har varit möjligt att genomföra kvantitativ magnetisk analys på nanoskalor. Uppsalafysiker visar nu hur magnetiska egenskaper kan mätas med nanoprecision med hjälp av nanometertunna elektronströmmar i ett elektronmikroskop.

Framtidens elektroniska komponenter bör vara så små som möjligt för att minimera energikonsumtion. Fler fördelar förväntas därtill när magnetiska material används och elektronens spinnmagnetiska information utnyttjas inom spinnelektronik. För att bygga magnetiska nanotransistorer behövs däröver särskild kunskap om magnetiska tillstånd på de funktionsbestämmande atomerna. Tills idag saknas det dock lämpliga metoder för att karakterisera magnetiska material på nanometersskala.

I ett internationellt samarbete har tre fysiker från Uppsala universitet, Jan Rusz, Vancho Kocevski och Peter Oppeneer, tillsammans med forskare från Nagoya universitet, Japan, och Forskningscentrum Jülich, Tyskland, visat hur magnetiska material karakteriseras med oöverträffad precision på nanometersskala.

Forskarna använde elektronströmmar som bara är 5 nm i genomsnitt i ett transmissionselektronmikroskop. Magnetisk styrka på atomerna i nanometertunn stråle bestämdes med hjälp av den så kallade elektronens cirkulära dikroism. Denna nya teknik ger högst upplösta kvantitativa resultat och möjliggör även att bestämma magnetisk styrka på olika ämnen som finns i materialskiktet exempelvis järn eller kobolt. Teorin bakom framsteget har utvecklats av Uppsalaforskare.

Mätningar genomfördes av forskargruppen kring professor Shunsuke Muto vid Nagoyas högenergielektronmikroskop med prov framställda i Jülich hos professor Claus Schneider. Den statistiska analysmetoden utvecklades gemensamt av Uppsalaforskare och Shunsuke Muto.

– Med den nya metoden lyckades vi för första gången att genomföra kvantitativa analyser av magnetiska moment på nanometerskala i ett tunt materialskikt, vilket innebär att vi öppnar vägen för nya, illuminerande undersökningar inom nanomagnetism, säger Jan Rusz.

Shunsuke Muto, Ján Rusz, Kazuyoshi Tatsumi, Roman Adam, Shigeo Arai, Vancho Kocevski, Peter M. Oppeneer, Daniel E. Bürgler & Claus M. Schneider (2014) Quantitative characterization of nanoscale polycrystalline magnets with electron magnetic circular dichroism, Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms4138