热流注入观磁——简易的高分辨率磁成像新方法——

2023年3月2日 东京大学 理化研究所

科学技术振兴机构

热流注入观磁——简易的高分辨率磁成像新方法——

发表要点

◆开发了通过测量尖到原子水平的针与试料表面接触时产生的磁热电效应来进行磁成像的新方法。 ◆虽然是简易的方法，但空间分辨率比以往的方法提高了约十倍。 ◆通过使用本方法，可以容易地以高分辨率可视化磁性体的磁畴和磁畴壁等磁性结构，因此期待加速和促进新一代自旋电子学元件的研究。

使用原子力显微镜的磁成像方法

发布概述

由东京大学物性研究所的一色弘成助教、大谷义近教授(兼任理化学研究所创发物性科学研究中心)、该研究生院新区域创发科学研究科的budinical研究生、该研究生院理学系研究科的中辻知教授、肥后友也特任副教授等组成的研究小组，基于使用原子力显微镜(注1 )测量局部异常嵌套效应(注2 )，开发了新的磁成像方法。在研究磁性体时，可视化物质内部的磁性结构是极其重要的。 但是，根据对象物质和元件结构的不同，有时很难得到磁像。此次，开发了通过尖锐到原子力显微镜原子水平的针(探针)在试样表面引起热流，通过映射与热流和磁化正交的向下方向产生的异常嵌套效应的电压信号来获取磁像的方法。 本方法虽然简单，但具有比以往方法高约十倍的空间分辨率，也可以广泛用于可视化元件内部的热电效应(注3 )。 今后，通过以高空间分辨率可视化磁化非常小的反铁磁性魏尔半金属(注4 )的磁畴和热电效应，可以期待在进行新一代元件的基础应用研究方面获得极其有用的信息。

本成果于2023年3月2日(当地时间)刊登在美国科学杂志Applied Physics Letters的在线版上，被选为引人注目的论文Editor's Pick。

发表内容

〈研究背景〉 磁性体内部存在无数的微观磁铁，它们通过相互作用形成了丰富多彩的磁性结构。 这种磁性结构与磁性体的性质密切相关，所以将其可视化是极其重要的。 近年来，被称为反铁磁魏尔半金属的物质群作为新一代自旋电子学元件的材料备受瞩目，正在积极地进行研究。 这些物质的磁性结构还有不清楚的部分，特别是弄清磁性方向反转的边界“磁壁”内部的结构非常重要。 根据理论，这种畴壁的厚度约为1微米(百万分之一米)。 但是，如果使用传统的磁成像方法，由于低空间分辨率(约数微米)和方法的复杂性所引起的问题，研究有时会无法如想象的那样进行。因此，本研究小组决定致力于开发一种新的磁成像方法，也适用于反铁磁魏半金属。 〈研究内容〉 本研究着眼于产生与磁性体内部的磁化方向( s极→N极)和热流方向(冷→热)双方正交的电场的被称为异常嵌套效应的现象。 如图1(a )所示，在该效果中，磁化和热流、电场朝向彼此正交的方向。 因此，只要对试料要研究的区域施加热流，测量因异常嵌套效应而在物质两端产生的电压，就可以确定该区域的磁化方向。 传统的磁成像方法包括用激光照射加热物质表面产生热流，通过检测异常嵌套效应得到磁像。 但是，由于缩小的激光加热的区域通常只有几微米左右，所以很难看到比其更小的磁性结构。 因此，本研究小组考虑利用原子力显微镜的探针，在更微小的区域诱发热流。 本方法的概要如图1(b )所示。 这次所有的实验都在室温大气的条件下进行。 准备要调查的物质细线及其旁边的加热器。 这种结构可以通过微细加工技术容易地制作。 这次，为了本方法的演示，我们使用了因室温下异常能斯特效应大而闻名的名为Co2MnGa的强磁性魏尔半金属。 向加热器通电后，通过电阻加热，要调查的试样细线的温度会上升几摄氏度。 据悉，使探针与试样表面接触后，热量会顺着探针逃逸，从而在探针正下方的微小区域诱发垂直的热流。 此时，用连接在细线两端的电压表测量局部异常能斯特效应产生的电压。 电压是反映探针正下方磁化方向的值，因此可以决定微小区域的磁化方向。

图1:(a )异常嵌套效应和( b )本方法的概要图

通过上述方法，可以确定探针正下方微小区域的磁化。 为了进行磁成像，对试样上的所有点进行相同的测量。 通过用原子力显微镜的探针在试样表面描绘的同时，测量各点的异常嵌套效应产生的电压，实现了这一点。 实际实验中使用的元件如图2(a )所示。 图2(b )-(d )表示对图2(a )的虚线包围的区域的电压映射图。 图2(b )-(d )的颜色表示异常嵌套效应产生的电压(白色为正，黑色为负电压)，对应于试样磁化在细线宽度方向上的投影成分。 如图2(b )所示，向左施加外部磁场时，试料整体的颜色变成白色，可以看出试料的磁化整体向左。 然后，反转磁场并向右施加稍弱的磁场时，如图2(c )所示，试料整体的白色消失，取而代之的是白点和黑点的对出现在试料细线的中心。 这一对黑白相间的表示那里存在着磁畴壁。 另外，向右施加大磁场时，如图2(d )所示，试料整体的颜色变成黑色，可以看出试料整体的磁化从最初的状态反转了。

图2 :实验结果。 ( a )元件原子力显微镜图像。 在( b )、( c )、( d )箭头所示的外部磁场施加下进行的、局部异常嵌套效应引起的电压映射图。

如上所述，利用原子力显微镜诱发了微小区域的热流，通过测量局部异常能斯特电压成功地进行了磁成像。 空间分辨率为数十纳米，比以往使用激光进行的方法改善了约十倍。 进一步发现，本方法也适用于铁镍合金等普通铁磁体。 本方法具有传统磁成像方法所不具备的各种优点。 (1)由于只需广泛普及的原子力显微镜就可以进行，所以非常简单。(2)通过使用探针诱发的微小区域的热流，可以实现高空间分辨率。(3)这是一种不仅可以进行磁成像，还可以进行元件内部的热电效应映射的通用性高的方法，等等。

〈今后的展望〉 通过使用本研究确立的高分辨率磁成像方法，有望使作为新一代自旋电子学元件材料而备受瞩目的反铁磁will半金属的磁畴结构观测变得容易。 另外，利用强磁性魏尔半金属Co2MnGa等物质的巨大异常嵌套效应，从热流中制造电力，并“收获”至今为止舍弃的热能的研究，最近呈现出了巨大的热烈气氛。 能够观察局部热电效应的本方法，不仅在磁成像方面，在面向能量收获元件实用化的性能评价方面也有望大显身手。

主讲人

东京大学 物性研究所 一色弘成(助教) 大谷义近(教授)〈理化学研究所创发物性科学研究中心量子纳米磁性研究小组(小组组长)〉 研究生院新领域创建科研科系专业 达芙妮·丹尼尔(博士课程) 朱政(博士课程:研究当时) 上杉良太 研究生理学系研究科物理学专业 中辻知(教授)〈东京大学物性研究所(特任教授) / 反式量子科学国际联合研究机构(机构长)〉 肥后友也(特任副教授)〈东京大学物性研究所(研究项目)〉

论文信息

〈杂志〉Applied Physics Letters》 〈题名〉High-resolution magnetic imaging by mapping the locally induced anomalous Nernst effect using atomic force microscopy

〈作者〉Nico Budai，Hironari Isshiki，Ryota Uesugi，Zheng Zhu，Tomoya Higo，SatoruNakatsuji，and YoshiChika Otani 〈doi〉https://doi.org/10.1063/5.0136613

<研究资助〉

本研究包括:科研费“年轻人研究(课题编号: 19K15431 )”、“基础研究( s ) (课题编号: 19H05629 )”、JST战略性创造研究推进事业CREST“基于拓扑材料科学的具有创新功能的材料设备的创造(课题编号: JPMJCR18T3 )”的支持下实施。

用语解说

(注1 )原子力显微镜 一种显微镜，以纳米( 10亿分之一米)的精度扫描在原子水平上尖锐的探针，通过测量探针前端和试样表面之间作用的原子间力得到表面的凹凸像。 这是一种广泛普及的方法，不仅用于物理学，还用于生物学和化学的研究。 (注2 )异常嵌套效应 由导电性强磁性体产生的热电效应之一。 产生与磁化和给定热流都正交的电场的现象。 应用该效果，将之前舍弃的热能作为电能“收获”的研究备受瞩目。 (注3 )热电效应 热流和电流相互转换的现象的总称。 (注4 )魏尔半金属 是由于物质内部的特殊能带结构，表现出巨大异常能斯特效应和异常霍尔效应的物质群之一。 反铁磁魏尔半金属可以在没有漏磁场的情况下超高速翻转磁结构，因此作为新一代的自旋电子学元件的材料受到了极大的关注。