反強磁性体におけるNV中心走査型プローブ顕微鏡 - 量子ダイヤモンドNV-AFMアプリケーション

October 18, 2022

反強磁性体とは何ですか?

図 1: 反強磁性体の磁気モーメントの配置

鉄の一般的な特性は、強磁性、強誘電性、および強弾性です。2 つ以上の鉄の性質を同時に持つ材料は、マルチフェロイック材料と呼ばれます。マルチフェロイックは通常、強い鉄結合特性を持っています。つまり、材料の 1 つの鉄の特性が、印加電場を使用して材料の強誘電特性を調整するなど、別の鉄の特性を調整し、材料の強磁性特性に影響を与える可能性があります。このようなマルチフェロイック材料は、次世代の電子スピンデバイスとして期待されています。中でも、反強磁性体は印加磁場に対して優れた耐性を示すため、広く研究されています。

反強磁性は、磁気モーメントが逆平行に千鳥状に配置され、巨視的な正味の磁気モーメントを示さない材料の磁気特性です。この磁気的に秩序立った状態は反強磁性と呼ばれます。反強磁性体の内部では、隣接する価電子のスピンが逆方向を向く傾向があり、磁場は発生しません。反強磁性材料は比較的まれで、酸化第一鉄、マンガン鉄合金、ニッケル合金、希土類合金、希土類ホウ化物など、そのほとんどは低温でのみ存在します。ただし、室温で反強磁性材料も存在します。現在研究が盛んに行われているBiFeO3。

反強磁性体の応用展望

反強磁性に関する知識は主に中性子散乱技術の発展によるもので、物質内のスピンの配置を「見る」ことができ、反強磁性の存在を確認できるようになりました。おそらく、ノーベル物理学賞が研究者らに反強磁性体に注目するきっかけを与え、反強磁性の価値が徐々に探求されるようになったのでしょう。

反強磁性材料はイオン化や磁場の干渉の影響を受けにくく、一般的な強磁性材料よりも数桁高い固有振動数と状態遷移周波数を持っています。半導体における反強磁性秩序は、強磁性秩序よりも容易に観察されます。これらの利点により、反強磁性材料はスピントロニクスにとって魅力的な材料となります。

新世代の磁気ランダムアクセスメモリは、強磁性体への情報の書き込みおよび読み取りに電気的方法を使用します。これにより、強磁性体の耐性が低下する可能性があり、安定したデータ保存には役立たないほか、強磁性体の浮遊磁界は高度に集積化されたメモリの重大な障害となる可能性があります。思い出。対照的に、反強磁性体は正味磁化がゼロであり、浮遊磁場を生成せず、外部磁場の影響を受けません。したがって、反強磁性体ベースのメモリは強磁性メモリの問題を完全に解決し、非常に魅力的な潜在的なメモリ材料になります。

図 2: 磁気ランダムアクセスメモリ (インターネットからの画像)

反強磁性ドメインの観察

反強磁性ドメインの研究は観察技術と切り離せません。磁区を観察する一般的な手段は磁気力顕微鏡 (MFM) です。MFM では、磁気針の先端を使用して、原子間力顕微鏡技術を使用してサンプル表面上の磁場力を記録します。X 線顕微鏡。X 線の吸収率がサンプルの磁場を反映するという原理に基づいています。もう 1 つは、光磁気カー効果を利用して磁化分布を測定する光磁気カー顕微鏡法 (Moke) です。各イメージング法の技術は完璧に開発されていますが、反強磁性体の磁性が弱いためにシングルスピン検出には感度が不十分であり、反強磁性体の磁区構造を観察することは困難です。

近年、ダイヤモンドの特殊な欠陥構造である窒素空孔（NV）中心が多くの研究者の注目を集めています。NV センター走査型プローブ顕微鏡は、ダイヤモンドの NV センターを AFM プローブの先端に統合し、AFM 走査技術を組み合わせてサンプル表面の磁区結果を取得します。これには、高感度 (1 T/ Hz1/2)、空間分解能 (10 nm)、および非侵襲性。解像度 (10 nm) と非侵襲性。

ビスマスフェライト BiFeO3 (BFO) は、弱い強磁性を伴う強誘電性と反強磁性を持つマルチフェロイック材料の一種に属しており、マルチフェロイック材料の研究において現在ホットスポットの 1 つです。高分解能中性子回折研究により、BFO が 64 nm の周期を持つ空間磁気構造を持っていることが明らかになりました。2017 年に、I. Gross らは Dr.らは、NV中心走査型プローブ顕微鏡を利用して、室温でBFO膜の反強磁性配列を観察し、その実験結果では、図3に示すように、周期約70nmのスピン振り子磁気構造が観察されました。

図 3: I. Gross らによって観察された BFO 周期磁気構造 NVセンター走査型プローブ顕微鏡を使用

(画像出典: I.Gross et al. シングルスピン磁力計による非共線的反強磁性秩序の実空間イメージング、Nature、2017、549:252)

図 4: F. Aurore らによる NV 中心走査型プローブ顕微鏡を使用した反強磁性構造とスキルミオンの観察

(画像出典: F. Aurore et al. シングルスピン緩和測定による非共線的反強磁性テクスチャーのイメージング、Nature communication、2012、12:767)

さらに、2021年にはF. Auroreら。図 4 に示すように、同様に NV 中心走査型プローブ顕微鏡を使用して、合成反強磁性体の磁壁やスキルミオンなどの磁気構造を観察しました。この実験の結果は、NV 中心走査型プローブ顕微鏡技術を他の反強磁性体にも拡張できることを示唆しています。、磁気局所スピン波を研究する新たな機会を提供します。

図 5: CuMnAs 反強磁性ドメインの NV 中心走査型プローブ顕微鏡による研究

(画像出典: MS Wörnle et al. 反強磁性ドメインの電流誘起断片化 arXiv:2019, 1912.05287)

MS Wörnle は、NV 中心走査型プローブ顕微鏡を使用して、CuMnAs 反強磁性ドメインの構造構成に対する電流パルスの影響を研究し、大きな抵抗変化が書き込み電流パルスによって誘発される磁区のナノスケールの断片化に関連していることを示しました。磁区構造の電流誘起変化は、交差形状の CuMnAs マイクロデバイスの電流密度分布を画像化することによって、不均一であることがさらに実証されました。

図 6: 反強磁性 Cr2O3 の NV 中心走査型プローブ顕微鏡

(画像出典: WS Huxter et al. シングルスピン量子磁力計による走査グラジオメトリー、arXiv:2202.09130v1)

さらに、Cr2O3 は、室温で反強磁性である、初期に報告されたマルチフェロイック材料です。2022 年に、WS Huxter ら。NV中心走査型プローブ顕微鏡の勾配走査技術を使用して、Cr2O3表面の原子ステップ上のマイクロテスラのオーダーの静磁場分布の測定画像。

NV センター走査型プローブ顕微鏡の利点は、単一スピンの高感度 (1uT/Hz1/2) とナノスケールの空間分解能 (10 nm) です。さらに、ダイヤモンド NV センターは非常に軽く、熱的に安定で生体に優しいため、定量的かつ非破壊的な磁気イメージングが可能になります。また、幅広い条件下、特に室温で動作し、ライフサイエンス用の磁気イメージングツールとして最適です。

CIQTEK は、商用 NV 中心走査型プローブ顕微鏡、 量子ダイヤモンド原子間力顕微鏡 (NV-AFM または QDAFM) を発売しました。この顕微鏡には、非侵襲的であり、広い温度範囲と広い磁場測定範囲をカバーするという利点があります。二次元物質磁気イメージング、ナノ電流イメージング、超電導渦磁気イメージング、細胞磁気イメージングなどに応用でき、量子科学、化学、材料科学、生物学、医療など幅広い分野で応用可能です。研究分野。