RICERCA ITALIANA     

Microscopia a scansione a effetto tunnel polarizzata in spin di interfacce e multistrati ferromagnetici/antiferromagnetici

Politecnico di Milano

Abstract

La comprensione dei fenomeni magnetici fondamentali richiede lo studio di strutture ed eccitazioni di spin su scala atomica.
La visualizzazione diretta alla scala atomica di strutture di spin è stata resa possibile per i metalli magnetici combinando la risoluzione atomica del microscopio a scansione ad effetto tunnel (STM) con la sensitività allo spin, basata sul tunneling di elettroni polarizzati in spin. La microscopia STM polarizzata in spin (Spin Polarized STM, SP-STM) e la spettroscopia a effetto tunnel polarizzata in spin (SP-STS) permettono oggi un’indagine senza precedenti di strutture di spin collineari e non su nanostrutture magnetiche superficiali e ha recentemente portato alla scoperta di nuovi tipi di ordine magnetico su scala nanometrica.
Per questo tipo di esperimenti occorre una punta STM sensibile allo spin. Punte di materiali ferromagnetici (FM) e antiferromagnetici (AFM) devono pertanto essere usate, tipicamente evaporando materiali magnetici in situ su punte non magnetiche di W, con serie implicazioni sulla semplicità d’uso di tali tecniche rispetto alle corrispettive tecniche STM e STS non polarizzate in spin.
Recentemente abbiamo sviluppato un metodo nuovo e semplice per produrre punte di puro Cr con eccellenti proprietà di risoluzione atomica su diverse superfici non magnetiche e con elevata sensitività allo spin per studi SP-STM e SP-STS su superfici magnetiche.
Il primo obiettivo del progetto sarà l’ottenimento di un >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Lamberto Duò Politecnico di MILANO

Obiettivo del Programma di Ricerca

L’uso e lo sviluppo di tecniche a scansione di sonda selettive in spin, come la microscopia e la spettroscopia a scansione a effetto tunnel risolte in spin (SP-STM e SP-STS), per lo studio di proprietà magnetiche di superficie, sono di importanza fondamentale sia per la ricerca di base sia per quella applicata (es. nell’immagazzinamento magnetico di dati). Solo pochi gruppi di ricerca al mondo (e nessuno in Italia) si sono dedicati a questa attività di ricerca, anche a causa delle difficoltà sperimentali relative a questa tecnica.
Queste ragioni motivano l’interesse nello sviluppo delle tecniche STM esistenti e nello studio di nanostrutture magnetiche. In questa ottica il presente progetto di ricerca si pone un duplice obiettivo:
a) sviluppo di un nuovo tipo di sonde SP-STM in puro cromo, mediante una procedura di etching semplice e riproducibile e comprensione delle proprietà di polarizzazione in spin di tali punte, che verranno utilizzate come sonde principali SP-STM in questo progetto. La caratterizzazione magnetica della punta di cromo verrà completata con modelli ab initio della punta stessa e della sua interazione con la superficie.
b) Studi SP-STM/STS di sistemi magnetici nanostrutturati (interfacce, multistrati e cluster supportati). Nostro obiettivo è l’incremento delle conoscenze sulla struttura magnetica e sul comportamento di interfacce e multistrati ferromagnetico/antiferromagnetico (FM/AFM) mediante un’indagine ad elevata risoluzione >>>

Risultati parziali attesi

Lo studio delle proprietà magnetiche di film sottili, superfici e interfacce con elevata risoluzione spaziale (fino alla scala nanometrica o anche atomica) è di primaria importanza sia per la comprensione di fenomeni a livello fondamentale, sia dal punto di vista della ricerca applicata.

Per quanto riguarda il primo punto, si possono identificare almeno due settori nei quali i risultati di questo progetto di ricerca possono portare ad un avanzamento della conoscenza di base. Il primo riguarda l’analisi delle strutture magnetiche, alla scala micro- e nanometrica, che si possono formare in interfacce singole (AFM/FM) e doppie (FM/AFM/FM). La nostra attività di ricerca sarà finalizzata ad affrontare diverse problematiche aperte, le più importanti delle quali sono la relazione tra le proprietà strutturali alla scala nanometrica e quelle dei domini magnetici presenti nei sistemi investigati, e il ruolo della presenza di interfacce FM/AFM sul comportamento magnetico di tali sistemi. La seconda area di ricerca fondamentale che viene toccata riguarda la comprensione teorica della microscopia ad effetto tunnel polarizzata in spin. E’ previsto lo sviluppo di modelli analitici e simulazioni numeriche ab-initio del processo, con l’obiettivo di descrivere correttamente il ruolo delle differenti componenti del sistema (punta e campione magnetici, barriera) e di identificare il più appropriato metodo di estrazione delle proprietà fisiche del campione. Il programma di ricerca >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

MICROSCOPIA E SPETTROSCOPIA A SCANSIONE A EFFETTO TUNNEL RISOLTE IN SPIN

Il bisogno di raggiungere la risoluzione sub-nanometrica in studi topografici e spettroscopici è oggi riconosciuto, nel campo sia della fisica pura, sia di quella applicata. Le attuali tecniche di imaging magnetico non sono in grado di ottenere tale risoluzione, es. la microscopia a forza magnetica (MFM), la microscopia elettronica a scansione con analisi di polarizzazione (SEMPA), la Spin-Polarized Low Energy Electron Microscopy (SPLEEM) e la microscopia a fotoemissione (PEEM) basata sul dicroismo circolare e lineare di raggi x (XMCD e XMLD).
In questo contesto, la microscopia a scansione a effetto tunnel (STM) offre possibilità uniche che, combinate con l’uso di punte con proprietà magnetiche, permettono di soddisfare tale bisogno, grazie allo sviluppo, a partire dal decennio scorso, della microscopia STM polarizzata in spin (SP-STM).
L’SP-STM si basa sul tunneling in vuoto di elettroni polarizzati in spin. La corrente di tunneling non dipende solo dalla distanza punta-superficie e dalla tensione applicata, ma anche dalla polarizzazione in spin degli elettroni vicino all’energia di Fermi di entrambi gli elettrodi e dalla orientazione relativa della magnetizzazione locale della superficie e del momento magnetico dell’apice della punta.
Punte magnetiche sono state inizialmente usate nella microscopia a scansione per effettuare misure risolte spazialmente di forze di >>>