Figura: a) Impressió 3D d’una nano-hèlix de cobalt per FEBID. Després de la injecció de Co2(CO)8 en la cambra d’un microscopi electrònic de rastreig (SEM) utilitzant un sistema d’injecció de gas (GIS), el feix d’electrons focalitzat (en verd i magenta) exposa alternativament les dues cadenes de l’hèlix. b) Imatge SEM acolorida de la nanoestructura analitzada, que consta de dues hèlix dobles de quiralitat oposada unides en la distorsió del gir marcada *. Barra d’escala de 250 nm, c) Imatge XMCD de la doble hèlix estudiada, que canvia la quiralitat geomètrica en *. Imatge en camp zero, després de l’aplicació d’un camp de saturació H al llarg de l’eix com s’indica. D) Imatge XMCD de la doble hèlix en estudi en l’estat de creixement. Barres d’escala en c) i d) 200 nm.
Cerdanyola del Vallès, 8 de juliol 2020 Un objecte és quiral si la seva imatge al mirall no coincideix amb sí mateix com passa amb les nostres mans, dreta i esquerra. La quiralitat té un paper important a la natura, per exemple, la doble hèlix de l’ADN és una estructura quiral dextrògira. En magnetisme, les interaccions entre espins que són sensibles a la quiralitat generen, en estructures 2D amb interfícies dissenyades, configuracions magnètiques complexes com els skyrmions que poden ser usades en el futur en espintrònica. En aquest estudi, l’equip científic demostra la impressió de quiralitat 3D complexa a escala nanomètrica utilitzant tècniques de fabricació d’avantguarda i microscòpia magnètica a MISTRAL. Al fabricar una estructura ferromagnètica de doble hèlix, es van crear dominis magnètics que tenien la mateixa quiralitat de la doble hèlix. A més, si la quiralitat geomètrica s’invertia durant la fabricació de la cadena, la quiralitat dels dominis magnètics també s’invertia. En el lloc on es troben ambdues quiralitats magnètiques, s’evidencia una magnetització 3D continguda. La capacitat de crear estructures 3D quirals amb patrons nano permet el control d’estats magnètics topològics complexos que poden ser importants per a futurs materials en els quals la quiralitat proporcionaria una funcionalitat específica.
El control minuciós del procés de deposició ha permès fabricar una doble hèlix magnètica formada por dos nanofils cilíndrics retorçats i superposats. La figura a) mostra esquemàticament el creixement d’una doble hèlix feta de nanofils de cobalt (Co) a partir de molècules de fase gasosa d’octacarbonil de dicobalt – Co2(CO)8 – utilitzant la tècnica de deposició focalitzada induïda per feix d’electrons (FEBID). La quiralitat de la doble hèlix es pot manipular com es veu en la part central del dibuix b), on la quiralitat de l’hèlix s’inverteix en la posició marcada (*). La configuració magnètica de la doble hèlix és el resultat de la interacció dipolar que afavoreix l’alineació antiparal·lela de la magnetització dels fils, la interacció d’intercanvi que afavoreix l’alineació paral·lela i l’acoblament a través de la quiralitat induïda geomètricament.
En la línia de llum MISTRAL, utilitzant raigs X polaritzats circularment i dicroisme magnètic en el marge de Co L3, s’ha determinat la configuració magnètica de l’hèlix mitjançant l’adquisició d’imatges en diferents orientacions per aprofitar la dependència angular del dicroisme.
La figura c) il·lustra la magnetització determinada experimentalment de la doble hèlix. Cada fil individual tenia un diàmetre de 85 nm i una longitud de 850 nm. Els colors vermell i blau es refereixen a la magnetització cap a dins i enfora, respectivament. La imatge evidencia que la magnetització marca l’estructura helicoïdal de la cadena i el canvi de quiralitat en la ubicació *. Aquesta configuració magnètica es va obtenir en romanència després d’aplicar un camp al llarg de la direcció axial. Alternativament, si les imatges s’adquirien després d’un creixement sense aplicar cap camp, la configuració magnètica era diferent. Ambdós fils mostraven magnetitzacions antiparal·leles com es mostra en l’esquema d) indicant l’efecte dominant de la interacció dipolar.
Els resultats demostren el possible control de la configuració magnètica amb morfologies geomètriques que mostren quiralitat 3D i obren una nova via en el nanomagnetisme aplicat.
Referència: D. Sanz-Hernández, A. Hierro-Rodríguez, C. Donnelly, J. Pablo-Navarro, A. Sorrentino, E. Pereiro, C. Margén, S. McVitie, J.M de Teresa, S. Ferrer, P. Fischer, A. Fernández-Pacheco. Artificial double-helix for geometrical control of magnetic chirality. ACS Nano 2020. DOI: 10.1021/acsnano.0c00720
