Figura: a) Impresión 3D de una nano-hélice de cobalto por FEBID. Después de la inyección de Co2(CO)8 en la cámara de un microscopio electrónico de barrido (SEM) utilizando un sistema de inyección de gas (GIS), el haz de electrones focalizado (en verde y magenta) expone alternativamente las dos cadenas de la hélice. b) Imagen SEM coloreada de la nanoestructura analizada, que consta de dos hélices dobles de quiralidad opuesta unidas en la distorsión del giro marcada *. Barra de escala de 250 nm, c) Imagen XMCD de la doble hélice estudiada, que cambia la quiralidad geométrica en *. Imagen en campo cero, después de la aplicación de un campo de saturación H a lo largo del eje como se indica. D) Imagen XMCD de la doble hélice en estudio en el estado de crecimiento. Barras de escala en c) y d) 200 nm.
Cerdanyola del Vallès, 8 de julio 2020 Un objeto es quiral si su imagen en el espejo no coincide consigo mismo como nuestras manos, derecha e izquierda. La quiralidad desempeña un papel importante en la naturaleza, por ejemplo, la doble hélice del ADN es una estructura quiral dextrógira. En el magnetismo, las interacciones entre espines que son sensibles a la quiralidad generan, en estructuras 2D con interfaces diseñadas, configuraciones magnéticas complejas como skyrmions que pueden ser de uso futuro en la espintrónica. En este estudio, el equipo científico demuestra la impronta de quiralidad 3D compleja a escala nanométrica utilizando técnicas de fabricación de vanguardia y microscopía magnética en MISTRAL. Al fabricar una estructura ferromagnética de doble hélice, se crearon dominios magnéticos que tenían la misma quiralidad de la doble hélice. Además, si la quiralidad geométrica se invertía durante la fabricación de la cadena, la quiralidad de los dominios magnéticos también se invertía. En el lugar donde se encuentran ambas quiralidades magnéticas, se evidencia una magnetización 3D contenida. La capacidad de crear estructuras 3D quirales con patrones nano permite el control de estados magnéticos topológicos complejos que pueden ser importantes para futuros materiales en los que la quiralidad proporcionaría una funcionalidad específica.
El control minucioso del proceso de deposición permitió fabricar una doble hélice magnética formada por dos nanohilos cilíndricos retorcidos y superpuestos. La figura a) muestra esquemáticamente el crecimiento de una doble hélice hecha de nanohilos de cobalto (Co) a partir de moléculas de fase gaseosa de octacarbonilo de dicobalto – Co2(CO)8 – utilizando la técnica de deposición focalizada inducida por haz de electrones (FEBID). La quiralidad de la doble hélice se puede manipular como se ve en la parte central del dibujo b), donde la quiralidad de la hélice se invierte en la posición marcada (*). La configuración magnética de la doble hélice es el resultado de la interacción dipolar que favorece la alineación antiparalela de la magnetización de los hilos, la interacción de intercambio que favorece la alineación paralela y el acoplamiento a través de la quiralidad inducida geométricamente.
En la línea de luz MISTRAL, utilizando rayos X polarizados circularmente y dicroísmo magnético en el borde de Co L3, se ha determinado la configuración magnética de la hélice mediante la adquisición de imágenes en diferentes orientaciones para aprovechar la dependencia angular del dicroísmo.
La figura c) ilustra la magnetización determinada experimentalmente de la doble hélice. Cada hebra individual tiene un diámetro de 85 nm y una longitud de 850 nm. Los colores rojo y azul se refieren a la magnetización hacia adentro y hacia afuera, respectivamente. La imagen evidencia que la magnetización marca la estructura helicoidal de la cadena y el cambio de quiralidad en la ubicación *. Esta configuración magnética se obtuvo en remanencia después de aplicar un campo a lo largo de la dirección axial. Alternativamente, si las imágenes se adquirían después de un crecimiento sin ningún campo aplicado, la configuración magnética era diferente. Ambas hebras mostraban magnetizaciones antiparalelas como se muestra en el esquema d) indicando el efecto dominante de la interacción dipolar.
Los resultados demuestran el posible control de la configuración magnética con morfologías geométricas que muestran quiralidad 3D y abren una nueva vía en el nanomagnetismo aplicado.
Referencia: 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
