由罗格斯大学领导的团队，包括美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家，已经展示了一种X射线成像技术，可以开发更小，更快，更强大的电子设备。11月27日在Nature Communications发表的一篇论文中描述了该技术，该技术利用称为反铁磁体(AFMs)的磁性材料解决了“自旋电子学”或旋转电子学这一新兴研究领域的主要局限：对反相磁畴成像的能力。

磁性原子中的电子指向或向上或向下“旋转”。在所有磁性材料中，存在不同的区域 - 磁畴 - 其中电子自旋以规则的方式排列。根据磁性的类型，有几种配置是可能的。在AFM中，相邻原子上的自旋指向相反的方向(例如，上下 - 上下)。虽然每个域内的自旋是均匀排序的，但相邻域内的自旋以不同的方式对齐。例如，在AFM中，一个域中的自旋可以全部以上下模式排列，而在相邻域中下行。对这些“反相”畴和它们之间存在的跃迁(壁)进行成像是能够操纵AFM的磁状态以开发自旋电子器件的第一步。“最终，目标是控制域的数量，形状，大小和位置，”共同作者克劳迪奥·马佐利说道，他是布鲁克海文实验室国家同步加速器光源的相干软X射线散射(CSX)光束线的首席科学家。 II(NSLS-II) - 美国能源部科学用户设施办公室 - 该技术得到了证明。“一般来说，畴壁的电子特性可能与材料的大部分不同，我们可以利用这一事实。通过外部扰动找到控制畴及其壁的方法是工程设备的关键。可以有效地存储和处理信息。“

从充电到旋转

诸如计算机芯片的传统电子器件依赖于电荷载流子或电子的传输来操作。随着这些电荷的移动，它们以热量的形式耗散能量，限制了设备效率。自旋电子学利用了电子的另一种内在属性：自旋。由于电子自旋可以从一个磁极转换到另一个磁极，比电荷可以移动得快得多，因此基于自旋电子学的设备本质上比现在的电子设备更快。

迄今为止，大多数自旋电子设备都是基于铁磁体(FM) - 我们最熟悉的磁体类型，如在冰箱和计算机硬盘驱动器中看到的那样。响应于外部磁场，FM中的域根据场的方向以平行方式对准。

然而，AFM比FM具有几个优点。例如，由于AFM中的自旋抵消了，这些材料没有大规模的磁性。因此，它们的旋转取向可以更快地翻转，并且它们不会产生可能干扰其他磁化源的杂散磁场。此外，它们对外部磁场更具弹性。“反铁磁体通过与环境的相互作用，包括域之间的相互作用，本质上可以更好地防止信息丢失，”资深作者和罗格斯大学物理学教授Valery Kiryukhin解释道。“因此，基于AFM材料的设备可以做得更小，信息更紧密地组合在一起，以产生更高的存储容量。”但是，使AFM对自旋电子学有吸引力的相同特性也使得这些材料难以控制。“为了控制它们，我们首先需要回答非常基本的问题，例如域如何在空间中排列以及它们和墙壁如何响应温度变化，电场和光脉冲等外部扰动而移动，” MAZZOLI。

反铁磁反射

在这项研究中，科学家们通过圆形针孔引导来自CSX光束线的相干X射线束，以照亮由罗格斯大学物理和天文学系成员合成的铁基AFM样品的磁性顺序，包括Kiryukhin和第一作者兼博士后助理Min Gyu Kim。他们将光束线X射线设置为与材料中的自旋能量共振(接近)的能量。检测器捕获光从样品反射时的强度。“当光线从那个表面反射时，你可以看到手机屏幕上的划痕，”马佐利说。“我们在这里应用了相同的原理，但依靠磁反射而不是表面反射。磁反射仅出现在非常窄的散射角度和条件边界内。”“由于入射光束是连贯的 - 所有光子或光粒子以有组织的方式一起波动 - 我们能够直接看到两个域是如何不同以及它们如何相互干扰，”共同作者马克说。 Dean，布鲁克海文实验室凝聚态物理和材料科学(CMPMS)部门的物理学家。“在信号强度降低的探测器模式中发现的干扰告诉我们域边界在哪里。”

虽然这种磁衍射技术是众所周知的，但这项研究首次成功应用于原子力显微镜中的反相域成像。“这种全新的反铁磁畴边界成像能力是唯一可能的，因为光束线具有极好的相干性，”CMP部门的X射线散射组组长和高级物理学家Ian Robinson说。“来自两个反相域的散射贡献在幅度上完全相同。它们的相位不同，它们通过干扰探测器的相干X射线拾取。”

在几分之一秒内，生成样本的扩展区域(数百微米乘数百微米)的完整图片，而无需移动任何仪器。在其他磁成像技术中，必须在多个点处在表面上扫描探针，或者需要进行计算以将得到的检测器图案投影到我们的眼睛可以理解的真实空间图像上。“我们基本上是拍照，”马佐利说。“探测器中所有像素的读数在单次拍摄中形成全视场图像。通过将多个图像拼接在一起，可以获得覆盖更大毫米尺寸区域的图像。”

该技术的速度使其非常适合动态实验。在这里，科学家们研究了磁畴如何实时变化，因为它们加热样品以“熔化”(去除)其反铁磁性顺序并冷却它以恢复畴排列形式的顺序。他们发现，有些域可以随着每个热循环自由移动，而其他域则没有。展望未来，该团队计划使用其他AFM和不同类别的材料来测试该技术。该团队还计划通过重新配置实验装置将该技术的当前分辨率提高到100纳米以下。这种改进的分辨率将使它们能够确定畴壁厚度。“要设计一种自旋电子设备，你需要知道材料的磁性配置，”Dean说。“我们希望我们最终能够利用这种技术来了解磁性如何在接近设备的条件下工作。”其他Brookhaven的合着者是CMPMS部门的胡苗和NSLS-II的Andi Barbour，Wen Hu和Stuart Wilkins。这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。