Les aimants permanents, comme ceux que l’on trouve partout sur les réfrigérateurs, existent parce que leurs atomes constitutifs se comportent comme des aimants miniatures. Ils s’alignent et se combinent pour previous le furthermore grand aimant dans un phénomène appelé ferromagnétisme. Il existe certains matériaux où les aimants atomiques forment à la area un motif alterné, de sorte que le matériau n’a pas de magnétisation nette. De tels antiferromagnétiques ont attiré l’attention pour leur potentiel à créer des dispositifs de mémoire magnétique additionally rapides et as well as compacts pour l’informatique.
Réaliser le plein potentiel des dispositifs antiferromagnétiques nécessitera de détecter leurs schémas magnétiques atome à atome, ce qui n’a pas encore été réalisé. Cependant, des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign dirigés par Pinshane Huang, professeur de science et d’ingénierie des matériaux, ont fait des progrès vers cet objectif. Dans la revue Ultramicroscopy, ils rapportent une nouvelle technique de microscopie électronique qui peut résoudre le comportement magnétique à l’échelle des angströms – des dixièmes de nanomètres, presque à l’échelle des atomes individuels. Ils utilisent cette system pour résoudre complètement l’ordre antiferromagnétique dans l’arséniure de fer pour la première fois.
“Nous travaillons pour développer de nouvelles procedures qui peuvent résoudre le comportement magnétique des atomes individuels, et cette étude est une étape importante”, a déclaré Huang. “Les meilleures methods jusqu’à présent ont atteint des résolutions de quelques nanomètres. Nous avons largement dépassé ce history.”
Le magnétisme microscopique est souvent mesuré avec la microscopie électronique à transmission à balayage, ou STEM, dans laquelle un faisceau d’électrons est focalisé dans un matériau. Les interactions électriques entre le faisceau et la composition du matériau ont été utilisées pour fournir des visuals d’atomes individuels dans le matériau, mais le faisceau interagit également avec la structure magnétique du matériau. Bien que cette conversation beaucoup furthermore faible soit suffisante pour déterminer l’ordre magnétique à moreover longue portée trouvé dans les ferromagnétiques, une technique beaucoup additionally précise est nécessaire pour observer la variation d’atome à atome dans les antiferromagnétiques.
Les interactions magnétiques créent des signaux complexes et subtils dans le modèle de faisceau qui nécessitent de nouveaux outils pour analyser et comprendre.”
Pour obtenir une résolution plus élevée, les chercheurs se sont tournés vers une méthode furthermore puissante appelée STEM à quatre proportions. Les methods STEM regular enregistrent les baisses d’intensité du faisceau lorsqu’il interagit avec le matériau, mais 4D-STEM seize des modèles de diffusion bidimensionnels complets lorsque le faisceau d’électrons balaye le extensive des deux instructions de la surface du matériau (pour les données en quatre proportions). Ces données ont permis aux chercheurs de rechercher dans les modèles de faisceaux complets les signaux les furthermore complexes de l’antiferromagnétisme atomique.
Une étape cruciale de l’analyse consistait à simuler les champs magnétiques dans l’échantillon d’arséniure de fer, pour lequel les chercheurs ont écrit un progiciel appelé Magnstem. Jeffrey Huang, étudiant diplômé et co-auteur principal, a expliqué que le deal leur permettait d’ajouter des effets magnétiques spécifiques à leur matériau et d’étudier les effets qu’ils avaient sur les modèles de faisceaux d’électrons.
“Les simulations de Magnstem nous ont permis de comparer les modèles d’électrons avec des effets magnétiques activés ou désactivés, ce qui serait assez difficile à faire dans une véritable expérience”, a-t-il déclaré. “Nous avons vu que les effets des signaux magnétiques et électriques se produisent sur différentes events du motif et peuvent être extraits séparément.”
En combinant 4D-STEM avec des simulations Magnstem, les chercheurs ont résolu l’ordre magnétique jusqu’à 6 angströms. Bien que cela ne résolve pas les effets magnétiques à l’échelle des atomes individuels, cela leur a permis de résoudre le motif antiferromagnétique de l’arséniure de fer, qui se répète dans des cellules de 12 atomes.
“Notre travail a montré qu’il est possible de résoudre un ordre magnétique à petite échelle dans des expériences de microscopie électronique et dans des simulations, presque à une résolution atomique”, a déclaré P. Huang. “Nous développons activement des tactics qui s’appuieront sur ce résultat.”
Les chercheurs ont travaillé en collaboration avec les groupes de recherche de Daniel Shoemaker et André Schleife, tous deux professeurs en science et génie des matériaux. Le groupe de Shoemaker a produit des échantillons d’arséniure de fer et le groupe de Schleife a effectué des simulations de la structure magnétique du matériau.
Ce travail a été soutenu par l’Air Pressure Office environment of Scientific Investigate et le Illinois Materials Study Science and Engineering Middle financé par la National Science Foundation. Nguyen est soutenue par une bourse L’Oréal pour les femmes dans la science. Cette recherche a utilisé les installations de microscopie électronique du Laboratoire de recherche sur les matériaux de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.