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New Scanning Probes for Nanomagnetic Imaging

English title New Scanning Probes for Nanomagnetic Imaging
Applicant Poggio Martino
Number 178863
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement Physik Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.04.2018 - 31.03.2022
Approved amount 959'829.00
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Keywords (8)

micro- and nanomechanics; MFM; experimental condensed matter physics; skyrmions; topological insulators; nano-magnetism; two-dimensional materials; SQUIDs

Lay Summary (Italian)

Lead
Gli ultimi anni hanno portato importanti progressi nel campo della microscopia magnetica. La microscopia a scansione di sonda (SPM) è stata e continua ad essere la forza trainante di questi sviluppi, portando a notevoli miglioramenti in risoluzione e sensibilità. Nonostante questi successi, bisogna continuare a sviluppare sensori magnetici sempre più sensibili per migliorare la nostra scarsa comprensione di fenomeni come la superconduttività, il magnetismo a scale nanometriche, gli stati di conduzione topologici, e il comportamento di materiali due dimensionali. Questi studi, oltre a svelare fenomeni fisici poco conosciuti, potrebbero portare a memorie magnetiche di altissima densità, oppure addirittura a nuove architetture computazionali.
Lay summary
Questo progetto si concentra sullo sviluppo di due tipi di sonda magnetica.

La prima è basata sullo SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), cioè un dispositivo superconduttore a interferenza quantistica che viene utilizzato come magnetometro estremamente sensibile. Il microscopio a scansione SQUID, nella sua forma più avanzata, ottiene una sensibilità a campi magnetici e gradienti termici all'avanguardia. Noi intendiamo estendere queste proprietà notevoli, integrando uno SQUID nanometrico sulla punta di una sonda di un microscopio a forza atomica (AFM). In questo modo realizzeremo una sonda ibrida SQUID-AFM capace di svelare forze, campi magnetici, e gradienti termici simultaneamente e con sensibilità e risoluzione pari o superiore all'avanguardia.

La seconda sonda si basa sull'utilizzo di singoli nanofili come sensori di forza magnetiche. Il nostro gruppo, insieme ad altri gruppi di ricerca, ha recentemente dimostrato che sonde AFM fatte da singoli nanofili sono capaci di mappare sia la magnitudine che la direzione delle forze fra la sonda e il campione, cosa fin ora non possibile con l'AFM convenzionale. Sviluppando nanofili con punte magnetiche si potrebbe dunque estendere questa capacità anche alla microscopia a forza magnetica, ottenendo in questo modo nuovi tipi di contrasto e maggiore sensibilità e risoluzione.

Con lo sviluppo e l'applicazione di entrambi queste tecniche, intendiamo svelare fenomeni fisici poco conosciuti come la superconduttività non convenzionale, gli stati di conduttanza topologici, il magnetismo su scale nanometriche, e il comportamento di materiali due dimensionali.
Direct link to Lay Summary Last update: 30.03.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
159893 Nanometer-scale Magnetometry 01.04.2015 Project funding (Div. I-III)
171003 Discovery and Nanoengineering of Novel Skyrmion-hosting Materials 01.10.2017 Sinergia

Abstract

Recent years have seen rapid progress in nanometer-scale magnetic imaging technology, with scanning probe microscopy driving remarkable improvements in both sensitivity and resolution. Among the most successful tools are magnetic force microscopy (MFM), spin-polarized scanning tunneling microscopy, as well as scanning magnetometers based on nitrogen-vacancy centers in diamond, Hall-bars, and superconducting quantum interference devices (SQUIDs). Here, we propose the development and application of two particularly promising scanning probe techniques.The first is scanning SQUID microscopy, which - in its most advanced form - achieves record sensitivity to both stray magnetic flux and local thermal dissipation. Recently, it has been used to study the dynamics of superconducting vortices and to map nanometer-scale transport. In order to extend its applicability and optimize its functionality, we aim to realize a nanometer-scale SQUID integrated on an atomic force microscopy (AFM) tip, producing a hybrid AFM-SQUID sensitive to surface forces, stray magnetic flux, and local temperature.The second is based on newly developed nanowire (NW) force sensors, which have recently enabled a form of AFM capable of mapping both the size and direction of tip-sample forces. Using NWs functionalized with magnetic tips, we intend to realize a form of vectorial MFM capable of mapping stray magnetic fields with enhanced sensitivity and resolution compared to the state of the art.The unique capabilities of these two scanning probes will provide new types of imaging contrast for nanometer-scale magnetic structures such as domain walls, magnetic vortices, and magnetic skyrmions, whose equilibrium configurations and dynamical properties are crucial for both fundamental understanding and spintronic applications. In addition to studying magnetic nanostructures and spin-dependent phenomena, we will apply our newly developed techniques to the study of mesoscopic current flow in topological insulators and two-dimensional materials. Further target systems include superconducting films and nanostructures, in which our sensitive probes could help clarify the microscopic mechanisms of superconductivity.
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