A) Magnetització perpendicular de la capa de tres pel·lícules obtinguda després de reconstruir la magnetització d’un tomograma dicroic a MISTRAL adquirit a l’energia d’absorció L3 de Fe. Dues bifurcacions estan marcades (D1 i D2). La barra d’escala és de 525 nm. B) Línies de camp magnètic emergent i vectors generats en la part central de la capa a partir de la bifurcació D2 que alberga un monopol magnètic de càrrega topològica negativa com ho indiquen les fletxes convergents. Els diferents colors de les fletxes són per a major claredat visual. El costat del cub mesura 100 nm.
Càrregues topològiques en materials magnètics
Cerdanyola del Vallès, 15 desembre 2020 Quan un material ferromagnètic se satura mitjançant l’aplicació d’un camp magnètic relativament intens, la seva magnetització es torna uniforme, el que significa que qualsevol element del volum té la mateixa magnetització. Si s’aplica un camp no molt fort per invertir la magnetització, llavors, en algunes parts la magnetització és tal i com era originalment, mentre que en d’altres s’inverteix. Aquestes dues magnetitzacions oposades donen lloc en alguns casos a estranyes distribucions magnètiques anomenades singularitats magnètiques, que tenen interès per si mateixes.
Imaginem una tempesta tropical amb un tifó que és una singularitat en el camp de les velocitats del vent i que és suficientment estable com per viatjar molts kilòmetres amb vents forts; de forma similar passa el mateix en els materials magnètics. Els vòrtex de magnetització, que tenen semblança geomètrica amb un tifó, poden viatjar distàncies mesoscòpiques mentre són empesos per camps magnètics aplicats, anàlegs al vent d’una tempesta.
L’estabilitat d’aquestes singularitats magnètiques té un interès pràctic ja que poden ser portadores d’informació en dispositius magnètics i, per tant, s’estan investigant intensament. Els vòrtex són les singularitats més simples però n’hi ha de molts més tipus. Es caracteritzen per les seves anomenades càrregues topològiques, que són quantitats numèriques associades a les característiques geomètriques de la magnetització.
Si la magnetització prop de la singularitat exhibeix una distribució de rotació al voltant de dos o més eixos de rotació, similar a un remolí 2D, llavors la càrrega topològica no és zero. Més concretament, es defineix una curvatura vectorial generalitzada que es designa coma a curvatura de Berry i té un origen quàntic. El producte de la curvatura de Berry amb la constant de Planck s’identifica com un camp magnètic emergent Be. Anàlogament amb les càrregues electrostàtiques, el flux de Be a través d’una superfície propera S és proporcional a la càrrega topològica retinguda per S que es quantifica. En el llenguatge de les equacions de Maxwell, això equival a div Be=4πℏρ, essent ρ la densitat de volum de la càrrega topològica. Les distribucions de vòrtex tenen una càrrega topològica de ± 1/2 degut al nucli de magnetització que és normal al pla de rotació del vòrtex, mentre que els skyrmions, que són singularitats 2D, tenen càrrega +/- 1 (excepte en alguns casos especials on la magnetització fa vàries voltes). Una singularitat particularment important és el monopol magnètic o punt de Bloch, que és una singularitat 3D amb càrrega ± 1. En aquest cas, el camp Be és radialment simètric al voltant del monopol, com el camp elèctric creat per una càrrega puntual i, de manera similar a l’electrostàtica, el flux a través d’una superfície que inclogui la càrrega permet determinar la seva magnitud.
Tomografia magnètica de raigs X
En aquest treball, la magnetització s’ha estudiat a través de raigs X amb energies específiques on el dicroisme magnètic és particularment intens. A MISTRAL, utilitzant raigs X polaritzats circularment, es van adquirir imatges de transmissió sensibles a la magnetització de la capa fina en diferents angles. Aquest mètode de tomografia ha permès determinar la magnetització 3D en la capa. El mètode té limitacions degut a la gran relació d’aspecte de la mostra (dimensió lateral >> espessor) i al rang angular limitat al que es pot accedir degut a restriccions geomètriques en el portamostres. A més, l’espessor efectiu de la capa augmenta quan l’angle d’incidència dels raigs X s’aparta de la normal de la superfície de la capa; i també les distorsions de paral·laxi compliquen l’anàlisi. Tot i aquestes limitacions, la precisió de la magnetització reconstruïda va ser suficient per avaluar el camp emergent Be i avaluar les integracions de superfície per localitzar les càrregues topològiques. Els exitosos resultats han requerit més de dos anys de desenvolupament i diversos temps de feix de llum de sincrotró.
La figura mostra la magnetització perpendicular a la capa de dominis magnètics en una pel·lícula de tres capes Py (80 nm) / NdCo (80 nm) / Py (80 nm) (Py = permalloy) fabricada amb polvorització catòdica. Quan s’inverteix la magnetització, la capa desenvolupa espontàniament dominis magnètics formant franges amb magnetització cap amunt i cap avall, com es mostra en la figura A. Algunes de les franges tenen bifurcacions, indicades en la figura com a D1 i D2. És precisament en les bifurcacions on s’amaguen les singularitats magnètiques.
Dues sèries tomogràfiques d’imatge dicroiques van permetre reconstruir en 3D la magnetització i avaluar el camp emergent Be podent localitzar i identificar les càrregues topològiques. El panell b de la figura correspon al camp originat per un monopol de càrrega -1 ubicat al centre del cub. La part central fosca dins del cub ubica la posició de la singularitat que es determina dins de la resolució del nou mètode. Curiosament, la dislocació D1 que es veu en el panell a de la figura similar a D2 és completament diferent del monopol, ja que correspon a una singularitat 2D de càrrega que s’atribueix a un meron amb càrrega nominal -1/2.
En conclusió, els resultats demostren un mètode basat exclusivament en dades experimentals sense cap pressupòsit sobre la magnetització, que permet identificar i determinar la naturalesa de singularitats magnètiques en capes fines. Aquestes resultats tenen un interès fonamental en l’àmbit del nanomagnetisme i poden tenir aplicacions en espintrònica.
Referència: A. Hierro-Rodriguez, C. Quirós, A. Sorrentino, L. M. Alvarez-Prado, J. I. Martín, J. M. Alameda, S. McVitie, E. Pereiro, M. Vélez and S. Ferrer. Revealing 3D Magnetization of Thin Films with Soft X-ray Tomography: Magnetic Singularities and Topological Charges. Nat Commun 11, 6382 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-20119-x
