Desde a descoberta de microrganismos no campo da biologia até a imagem de átomos no campo da física, a imagem microscópica melhorou nossa compreensão do mundo e tem sido responsável por muitos avanços científicos. Agora, com o advento da spintrônica e dispositivos magnéticos em miniatura, há uma necessidade crescente de imagens em escala nanométrica para detectar propriedades quânticas da matéria, como spins de elétrons, estrutura de domínio magnético em ferromagnetos e vórtices magnéticos em supercondutores.
Normalmente, isso é feito complementando técnicas de microscopia padrão, como microscopia de tunelamento de varredura e microscopia de força atômica (AFM), com sensores magnéticos para criar "sondas de magnetometria de varredura" que podem obter imagens e detecção em nanoescala. No entanto, essas sondas geralmente requerem condições de vácuo ultra alto, temperaturas extremamente baixas e são limitadas em resolução espacial pelo tamanho da sonda.

A este respeito, os centros de vacância de nitrogênio (NV) no diamante (defeitos na estrutura do diamante formados por átomos de nitrogênio adjacentes a "vacâncias" criadas por átomos ausentes) ganharam interesse significativo. O par NV, ao que parece, pode ser combinado com AFM para realizar imagens magnéticas locais e pode operar em temperatura e pressão ambiente. No entanto, a fabricação dessas sondas envolve técnicas complexas que não permitem muito controle sobre a forma e o tamanho da sonda.

Em um novo estudo liderado pelo Professor Associado Toshu An do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST), e Yuta Kainuma, Ph.D. estudante da JAIST, em colaboração com pesquisadores da Universidade de Kyoto, Japão, e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada, Japão, abordou esta questão, fabricando sondas de diamante de hospedagem NV usando uma nova técnica que combina corte a laser e feixe de íons focado (FIB) processamento que permitiu um alto grau de liberdade de processamento e controle sobre o formato da sonda. Este artigo foi disponibilizado on-line em 28 de dezembro de 2021 e foi publicado no Volume 130 Edição 24 do Journal of Applied Physics .

Para começar, a equipe criou centros N-V em diamante a granel, implantando íons de nitrogênio nele. Em seguida, eles poliram a superfície oposta e produziram várias peças em forma de haste com corte a laser. Eles prenderam uma das hastes de diamante na ponta de uma sonda AFM e usaram o processamento FIB para transformar a superfície frontal da haste de diamante na forma final da sonda. "FIB usa íons de gálio para moldar a sonda. No entanto, esses íons podem criar lacunas na estrutura do diamante alterando o estado de carga do defeito NV. Para evitar isso, usamos um padrão de fresagem em forma de rosquinha ao redor do centro da sonda para evitar qualquer dano ao centro NV", elabora o Dr. An. A sonda final foi um micropilar composto por 103 centros NV com diâmetro de 1,3 µm e comprimento de 6 µm.

Usando a sonda, a equipe fotografou a estrutura do domínio magnético periódico em uma fita magnética. "Nós fotografamos os campos magnéticos dispersos da estrutura do domínio magnético mapeando a intensidade da fotoluminescência em uma frequência de microondas fixa e as frequências de ressonância nos espectros de ressonância magnética detectados opticamente", explica o Dr. An.

A equipe está otimista de que o novo método de fabricação ampliará a aplicabilidade das sondas de imagem quântica. "Nos últimos anos, o desenvolvimento de novos dispositivos tem sido procurado para resolver problemas ambientais e energéticos e alcançar uma prosperidade sustentável da sociedade humana. Espera-se que a tecnologia de medição e detecção quântica reforme completamente o sistema que suporta a infraestrutura social no futuro. Em a esse respeito, nossa técnica de fabricação pode ajudar a aumentar os esforços na realização de imagens quânticas em nanoescala", diz o Dr. An. + Explorar mais

Técnica combinada usando sondas de diamante permite imagens em nanoescala de estruturas de vórtices magnéticos