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Il campo magnetico si può vedere!
Il tempo della scienza: “incontri del Giovedì 2010” iNRiM, 30 Settembre 2010 Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica Il campo magnetico si può vedere! Il campo magnetico si può vedere! Francesco Laviano Francesco Laviano Dipartimento di Fisica Politecnico di Torino Politecnico di Torino La visualizzazione del campo magnetico p g • Cenni storici Cenni storici • Fenomeni naturali: tempeste magnetiche • Tecniche di visualizzazione magnetica sviluppate a partire dal XIX secolo • Magneto Magneto‐‐ottica: distribuzione di campo magnetico nei materiali superconduttori e ferromagnetici Il magnetismo e la forza magnetica: etimologia g g g Magnetismo i : μαγνήτις λίθος, magnétis líthos, pietra di Magnesia, ovvero magnetite [(Fe3O4) + Hematite (Fe2O3) + Wüstite (FeO)] Esempi p di forma minerale di magnetite g Il magnetismo e la forza magnetica: etimologia g g g Magnesia: da Magnesia ad Sipylum Magnesia: da Magnesia ad Sipylum, monte Sipilo (attuale Manisa, Turchia, 65 Km NE da Smirne). Ce sto c Cenni storici Aristotele riporta Thales riporta Thales di Mileto di Mileto (585 a.C.): la forza esercitata dalla magnetite sul di Mileto (585 a.C.): la forza esercitata dalla magnetite sul ferro è dovuta alla presenza di un’anima nel minerale Cina, IV secolo a.C., 鬼谷子 Cina IV secolo a C 鬼谷子 (Libro mastro della Valle del Diavolo), (Libro mastro della Valle del Diavolo) “…la la magnetite magnetite attira il ferro…” P Petrus P Peregrinus i d Maricourt de Maricourt de M i (1269) (1269): autore di “De Magnete”, descrizione di “D M ”d ii dettagliata del funzionamento della bussola, definizione dei poli magnetici (con riferimento diretto al magnetismo terrestre) Rivoluzione scientifica, XIX secolo (Elettromagnetismo): Charles‐Augustin de y g Coulomb, Henry Cavendish, Alessandro Volta, Hans Christian Oersted, Georg Ohm, André‐Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss, Pierre Simon Laplace, Jean‐Baptiste Biot, Félix Savart, Michael Faraday, Heinrich Lenz, Charles Wheatstone, Oliver Heaviside, Franz Ernst Neumann, Woldemar Voigt, Gustav Kirchhoff, Heinrich Heaviside, Franz Ernst Neumann, Woldemar Voigt, Gustav Kirchhoff, Heinrich Hertz, Hermann von Helmholtz, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla, Pieter Zeeman, Hendrik Lorentz, Max Planck….. Elettromagnetismo classico g James Clerk Maxwell James Clerk Maxwell (Edimburgo, 13 giugno 1831 – Cambridge, 5 novembre 1879) “A Treatise on Electricity and Magnetism” “A T ti El t i it dM ti ” Clarendon Press, Oxford, 1873 Il campo magnetico in natura ca po ag et co atu a Dipolo magnetico po o ag et co • In natura, la forza magnetica è generata da dipoli magnetici In natura la forza magnetica è generata da dipoli magnetici • Essi sono inscindibili in cariche magnetiche isolate (monopolo) – esperimento della “calamita esperimento della calamita spezzata spezzata”:: dividendo un dipolo si ottiene una coppia di dipoli! dividendo un dipolo si ottiene una coppia di dipoli! Tempeste solari: coronal mass ejection Visualizzazione “naturale” del campo magnetico terrestre: aurora Dalla stazione spaziale ISS N Norvegia i Canada Magnetismo nella materia ag et s o e a ate a Risposta magnetica di un corpo materiale: Modellabile con campo vettoriale M(x,y,z) – magnetizzazione C Campo magnetico nello spazio (sovrapposizione degli effetti): i ll i ( ii d li ff i) B = μ0H + B = μ H+M Q Qual è il comportamento della magnetizzazione nella materia? p g Magnetismo nella materia ag et s o e a ate a • Interazione del campo magnetico sia con le particelle nucleari sia con gli elettroni • Fenomenologie magnetiche dovute ad effetti colletivi di ordinamento di particelle con spin Magnetismo nella materia ag et s o e a ate a Classificazione fenomenologica: • Diamagnetismo • Paramagnetismo • Superparamagnetismo • Ferromagnetismo • Superconduttività à Magnetismo nella materia: S percond tti ità e Ferromagnetismo Superconduttività e Ferromagnetismo • Sono fenomeni naturali osservati al di sotto di una determinata temperatura critica Sono fenomeni naturali osservati al di sotto di una determinata temperatura temperatura critica, critica sia nei solidi con elementi puri, sia nei composti. • Fenomenologia duale: i Superconduttori generano un momento magnetico che si oppone al h l campo magnetico esterno, mentre i Ferromagneti “allineano” il loro momento magnetico al campo esterno • La transizione di fase consiste generalmente nella riduzione di simmetria di un sottoinsieme di stati delle cariche elettriche e la distribuzione della magnetizzazione indotta rispecchia la non stati delle cariche elettriche e la distribuzione della magnetizzazione indotta rispecchia la non uniformità della distribuzione di carica e la sua simmetria. • Le singolarità topologiche sono costituite da vortici, domini e pareti di dominio. Le singolarità topologiche sono costituite da vortici domini e pareti di dominio • Le distribuzioni di magnetizzazione misurate su materiali superconduttivi e magnetici mostrano pattern complessi tt l i Magnetismo nella materia: magneti a ione e stra field magnetizzazione e stray field • I domini, le pareti di dominio e le singolarità (vortici) sono caratterizzati dalla magnetizzazione interna del materiale e dal campo generato all all’esterno esterno (stray field) Ferromagnete Magnetismo nella materia: magneti a ione e stra field magnetizzazione e stray field • I domini, le pareti di dominio e le singolarità (vortici) sono caratterizzati dalla magnetizzazione interna del materiale e dal campo generato all all’esterno esterno (stray field) Superconduttore Vortice superconduttivo (lunghezza magnetica λ, da decine di nm al μm) Vortici Distribuzione di vortici in un campione rettangolare rettangolare, E. E H. H Brandt Tecniche di visualizzazione ec c e d sua a o e • Decorazione magnetica (Bitter decoration) Decorazione magnetica (Bitter decoration) • Microscopia elettronica a trasmissione (TEM), microscopia Lorentz • Microscopia elettronica a scansione l p g ( ) • Microscopia a Forza Magnetica (MFM) • Microscopia a Scansione con Sonda di Hall (SHPM) • Diffrazione a raggi X • Diffrazione di neutroni Diffrazione di neutroni • Tecniche di visualizzazione Magneto‐ottiche (MOI) da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000) da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000) da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000) Decorazione con particelle ferromagnetiche p g Decorazione Bitter eco a o e tte Il campo magnetico generato dal materiale nello spazio circostante (stray field) può essere letteralmente decorato da particelle ferromagnetiche (particelle colloidali, dimensione nanometrica e ricoperte da sostanze tensioattive)) Francis Bitter, “On inhomogeneities in the magnetization of ferromagnetic g materials”,, Phys. y Rev. 39 1903 ((1931)) Decorazione Bitter: ferromagneti f g Pattern magnetico g di un iron garnet Campo p applicato pp 26 kA/m (330 Oe) Decorazione Bitter: superconduttori p Predizione dell’esistenza dei vortici superconduttivi (contenenti ciascuno un quanto di flusso magnetico) e della formazione di un reticolo di vortici: A. A. Abrikosov, Soviet Physics JETP 5, 1174 (1957) Nobel per la Fisica 2003 2003, Alexei A. A Abrikosov, Abrikosov Vitaly L. L Ginzburg Ginzburg, Anthony JJ. Leggett, contributi pionieristici nella teoria dei superconduttori e della superfluidità Prima osservazione dei vortici superconduttivi (quanti di flusso magnetico): (q g ) U. Essmann and H. Trauble, Physics Letters 24A, 526 (1967) Decorazione Bitter Vantaggi: V t i • Semplicità • Si possono visualizzare campioni con superfici non regolari (colloide “secco”) • Elevata risoluzione spaziale (migliore di 100 nm) Svantaggi: • Sensibile solo allo stray field (osservazione indiretta) • Visualizzazione di dinamiche “lente” • Interazioni nel colloide, agglomerati, effetti di bordo Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM) p ( ) Microscopia Lorentz: interazione degli elettroni accelerati (100-1000 KeV) con la magnetizzazione ti i (e ( con lo l stray t fi field), ld) con conseguente t deflessione d fl i d dovuta t alla ll Forza di Lorentz Visualizzazione Vi li i fuori-fuoco f if (d (defocused): f d) modalità d lità F Fresnel, l consente t di visualizzare la deflessione magnetica come effetto ombra da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000) Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM) p ( ) Visualizzazione in fuoco ((modalità Foucault): ) combinazione della deflessione magnetica e della diffrazione di Bragg, utilizza un diaframma nel piano di diffrazione da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000) Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM) p ( ) Microscopia con contrasto di fase differenziale: utilizza un diaframma nel piano i di diff diffrazione i ed d un rivelatore i l di diviso i iin d due, iin modo d che h lla diff differenza del segnale sia proporzionale alla deflessione magnetica da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000) Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM) p ( ) Olografia elettronica: fascio coerente di elettroni genera un pattern di interferenza (ologramma), in cui è contenuta l’informazione dell’interazione magnetica ti Modalità off-axis: un fascio di elettroni attraversa il campione, un secondo fascio passa indisturbato e poi i due sono riuniti tramite un biprisma elettrostatico. L’immagine è ricostruita tramite interferometria ottica da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000) Electron Holography: superconduttori g p y p Nature 412 620 (2001) TEM Vantaggi: V t i • Elevata risoluzione • Alta sensibilità • Misura quantitativa e tridimensionale (fase differenziale) Svantaggi: • Costosa • Campione sottile • Preparazione campione laboriosa • Campo di misura limitato • Applicazioni di stimoli limitata (campo magnetico, stress meccanico, etc.) Microscopia a Scansione Elettronica (SEM) p ( ) Tipo I o Contrasto da Elettroni Secondari: gli elettroni emessi dal materiale in risposta al fascio elettronico incidente sono deflessi dallo stray field (il rivelatore è asimmetrico) da Alex Hubert, Hubert Rudolf Schafer, Schafer “Magnetic Magnetic Domains Domains”, Springer (2000) Microscopia a Scansione Elettronica (SEM) p ( ) Tipo II o Contrasto da Elettroni Retrodiffusi: il fascio elettronico è inclinato rispetto alla superficie del campione, la deflessione magnetica nel bulk causa il contrasto sul rivelatore da Alex Hubert, Hubert Rudolf Schafer, Schafer “Magnetic Magnetic Domains Domains”, Springer (2000) SEM Vantaggi: V t i • Poca sensibilità rispetto alla condizione superficiale del provino • Potenzialmente tecnica quantitativa (elettroni polarizzati) e accoppiabile con gli altri mezzi della microscopia elettronica (analisi strutturale, chimica, etc ) etc.) Svantaggi: • Generalmente poco contrasto • Stimoli limitati • Campioni conduttivi Microscopia a Forza Magnetica (MFM) p g ( ) Microscopia a Forza Magnetica (MFM) p g ( ) Appl. Phys. Lett. 50, 1455 (1987) J. Appl. pp Phys. y 62, 4293 ((1987)) Microscopia a Forza Magnetica (MFM): ferromagneti p g ( ) f g Permalloy, Romel D. Gomez et al., University of Maryland MnAs/GaAs, O. G. Shpyrko et al., University of California Particolarmente utile per caratterizzare pattern artificiali: film ferromagnetici per applicazioni magneto-elettroniche (memorie) ( ) Kong-Gay Loh, Loh Renee Jobe and Briggs Christie, Christie MIT Microscopia a Forza Magnetica (MFM): s percond ttori superconduttori Nature Physics, 5 35 (2009) MFM Vantaggi: p • Elevata risoluzione spaziale • Almeno tre diverse forme di contrasto Svantaggi: • Interazione punta-campione • Velocità scansione Microscopia a Scansione con Sonda di Hall (SHPM) p ( ) Pattern ferromagnetico in BaFeO, Quantum Design (JP) Vortices in YBCO,, S. Bending, g, University y of Bath Diffrazione raggi X gg Metodo classico (Lang): fascio di radiazione X,incidenza con condizione di Bragg, scansione del campione, sensibilità allo stress magneto magneto-elastico elastico Topografia con radiazione di Sincrotrone: la grande brillanza dei fasci di sincrotrone permette la visualizzazione real real-time time e misure stroboscopiche (dinamica veloce) da Alex Hubert, Hubert Rudolf Schafer, Schafer “Magnetic Magnetic Domains Domains”, Springer (2000) Diffrazione di neutroni Interazione diretta con la magnetizzazione attraverso neutroni polarizzati da Alex Hubert, Hubert Rudolf Schafer, Schafer “Magnetic Magnetic Domains Domains”, Springer (2000) Tecniche Magneto‐ottiche ec c e ag eto ott c e • Effetti magneto-ottici: g Kerr,, Faraday, Kerr y Voigt g ((o Cotton-Mouton o birifrangenza magnetica lineare) • Rotazione del piano di polarizzazione della luce in dipendenza del campo magnetico locale • Tramite l’analisi l analisi di polarizzazione polarizzazione, la tecnica magneto magneto-ottica ottica permette di visualizzare la distribuzione di campo magnetico come contrasto di intensità: il campo p magnetico g si può p vedere! (percezione diretta con l’occhio umano!!) • Modellabili come termini non diagonali del tensore di permettività • Microscopia magneto-ottica in riflessione: effetto Kerr (effetto polare ed effetto longitudinale) • Microscopia magneto-ottica in trasmissione: effetto Faraday (polare) Visualizzazione Magneto‐ottica: effetto Kerr g ff da Alex Hubert, Hubert Rudolf Schafer, Schafer “Magnetic Magnetic Domains Domains”, Springer (2000) Visualizzazione Magneto‐ottica: effetto Kerr g ff da Alex Hubert, Hubert Rudolf Schafer, Schafer “Magnetic Magnetic Domains Domains”, Springer (2000) Visualizzazione Magneto‐ottica: effetto Faraday g ff y Rotazione del piano di polarizzazione g all’interno del materiale ferromagnetico V, costante di Verdet αF, angolo di rotazione Faraday M. Faraday, Trans. Roy. Soc. 146 (1846) 1 Visualizzazione Magneto‐ottica: effetto Faraday g ff y Neèl tip - Bi-doped Iron Garnet L Néel L. Néel, JJ. de phys phys. [8] 5, 5 (1944) 241 Visualizzazione Magneto‐ottica: effetto Faraday g ff y Bloch points and vortices - Bi-doped Iron Garnet Twists in Asymmetric Bloch Walls (and vortices) 2 μm 2 μm 2 μm Tecnica Magneto‐ottica con film indicatore g Limitazione: osservazione di materiali ferromagnetici con elevata qualità ottica (perfezione cristallina, trasparenza) Idea: uso di un film indicatore magneto-otticamente attivo {Lu3‐x‐y‐zYyBixPbz}[Fe2‐uaGaua ](Fe3‐udGaud)O12 Si3N4 Al mirror • Il film indicatore è ricoperto con un sottile specchio ed uno strato protettivo. protettivo • La rotazione Faraday specifica supera i 30° kOe μm-1 L.A. Dorosinskii, M.V. Indenbom, V.I. Nikitenko, Yu.A. Ossip'yan, A.A. Polyanskii and V.K. Vlasko-Vlasov, Physica C 203 149 (1992) Tecnica Magneto‐ottica con film indicatore g Apparato sperimentale presso il Dipartimento di Fisica, Politecnico di Torino Tecnica Magneto‐ottica con film indicatore g Esempio di visualizzazione della distribuzione magnetica di un pattern artificiale: 3.5” floppy disk Tecnica Magneto‐ottica con film indicatore g i (a.u.) Esempio di visualizzazione della distribuzione magnetica di un pattern artificiale: 3.5” floppy disk 0.5 0.0 -0.5 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 position (pixels) Visualizzazione della componente di campo magnetico perpendicolare al film indicatore! Visualizzazione di pattern: ferromagneti p f g BaFe12O19 Vortex-ESF Program g – sample p courtesy y of Prof. V.V. Moshchalkov Visualizzazione di pattern: ferromagneti p f g BaFe12O19 2 μm Vortex-ESF Program g – sample p courtesyy of Prof. V.V. Moshchalkov Visualizzazione di pattern: superconduttori p p • Espulsione del flusso magnetico: effetto Meissner (aree centrali scure) • Gradiente di vortici causato dalle supercorrenti • Accumulo delle linee di flusso ai bordi del campione • Caratteristiche linee di discontinuità a causa della diffusione nonlineare dei vortici YBCO - T = 4.2 4 2 K μ0Happ = 44.15 44 15 mT 300 μm 1 mm Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa g BA = E A / M S Campo di anisotropia B z = B ⋅ kˆ = B sin α B xy = ( ) ( ) 2 2 ˆ ˆ B ⋅ i + B ⋅ j = B cos α α F = C M S sin φ (E.1) Angolo di rotazione Faraday E A ⋅ (1 − cos φ ) + B ⋅ M S ⋅ [1 − cos(α − φ )] Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa g Bz φ = arctan Bxy + BA Angolo di equilibrio I = I 0 + I MAX cos (α F + θ ) 2 L Legge di M Malus l Relazione tra intensità misurata e campo magnetico locale: ⎡ ⎤ CM B S z I = I 0 + I MAX cos2 ⎢ +θ⎥ ⎢ (BA + Bxy ) 2 + B2z ⎥ ⎣ ⎦ Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa In ersione della legge di Biot Sa art Inversione della legge di Biot‐Savart B(r ) = μ0 (H ext (r ) + Hind (r ) ) Con l’ipotesi p che il campione p sia “sottile”: ∇ ⋅ J (r ) = 0 μ0Hind (r ) = = ˆi + ˆj μ0 4π μ0 4π + kˆ μ0 4π μ0 4π ∫∫∫ ∫∫∫ ∫∫∫ ∫ J (r ' ) ∧ (r − r ' ) 3 d r' = r − r' J y ( x' , y ' , z' ) ⋅ ( z − z' ) − J z ( x' , y ' , z' ) ⋅ ( y − y' ) [( x − x' ) 2 + ( y − y' ) + ( z − z' ) 2 ] 2 3 J z ( x' , y ' , z' ) ⋅ ( x − x' ) − J x ( x' , y ' , z' ) ⋅ ( z − z' ) [( x − x' ) 2 + ( y − y' ) + ( z − z' ) 2 ] 2 3 dx ' dyy ' dz ' + dx ' dy ' dz ' + J x ( x' , y' , z' ) ⋅ ( y − y ' ) − J y ( x' , y ' , z' ) ⋅ ( x − x' ) [( x − x' ) 2 + ( y − y ' )2 + ( z − z' ) ] 2 3 dx ' dy ' dz ' Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa g Componente misurata: μ0 μ0 H z ( x , y , h ) = 4π d /2 ∫ ∫∫ −d / 2 J x ( x' , y ' ) ⋅ ( y − y ' ) − J y ( x' , y ' ) ⋅ ( x − x' ) [( x − x' ) 2 + ( y − y ' )2 + (h − z' ) ] 2 3 dx ' dyy ' dz ' Applicando il teorema di convoluzione, nello spazio di Fourier: μ ~ μ0 H z ( k x , k y , h ) = i 0 2 ⎛ ⎞ −( h − z ') k k ~ ~ y ⎜ ⎟e x − J ( k , k ) J ( k , k ) x x y y x y ∫ 2 2 ⎜ k2 + k2 ⎟ + k k −d / 2 x y x y ⎝ ⎠ d /2 k x2 + k 2y dz ' Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa g −hk ⎧ μ e ~ ⎛d ⎞ 0 ~ ⎪ μ0 H z ( k x , k y , h ) = i 2 J x ( k x , k y ) k sinh⎜ 2 k ⎟ ⎝ ⎠ ⎪ y ⎨ ⎪ J~ ( k , k ) = − J~ ( k , k ) k x x x y y x y ⎪⎩ ky Otteniamo un sistema con soluzione unica! Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa Problema accoppiamento con il film indicatore Problema: accoppiamento con il film indicatore ⎡ ⎤ CM B S z I = I 0 + I MAX cos2 ⎢ +θ⎥ ⎥ ⎢ (BA + Bxy ) 2 + B2z ⎣ ⎦ Soluzione: procedura iterativa Si calcola la distribuzione di correnti, da cui si stima il campo p magnetico g nel p piano del film indicatore e si corregge il valore misurato della componente perpendicolare: p p ⎛ Bxy ⎞ ⎟⎟ BZ |0 BZ = ⎜⎜1 + BA ⎠ ⎝ Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa g BZ(0) (x,y) BZ(n+1) =(1+ Bxy(n)/ BA) BZ(0) inv version ca alibration n Magneto-optical measurement Jx (0)(x,y) Jy and (0)(x,y) (x y) Bx(n)(x,y) ( ) and (n)(x,y) By ( (n) ) Jx (x,y) and Jy ( )(x,y) (n) ( 1)≈ B (n) ( ) The algorithm is stopped when Bz(n+1) z Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa g Con la procedura iterativa, oltre alla misura corretta della componente di campo magnetico perpendicolare al film indicatore, otteniamo la distribuzione della densità di corrente elettrica e del campo magnetico nel piano del campione! Misura 3D della distribuzione di campo magnetico! F. Laviano, D. Botta, A. Chiodoni, R. Gerbaldo, G. Ghigo, L. Gozzelino, S. Zannella and E. Mezzetti, Supercond. Scie. Technol., 16 (2003) 71 Visualizzazione di pattern: superconduttori p p Film di superconduttore alta temperatura (YBCO) F. Laviano, D. Botta, A. Chiodoni, R. Gerbaldo, G. Ghigo, L. Gozzelino, and E. Mezzetti, Phys. Rev. B 68, 014507 (2003). Distribuzione di supercorrente p Campione rettangolare di YBCO, T= 4.13 T 4 13 K and μ0Happ= 117.3 117 3 mT La supercorrente p scorre in tutto il campione, ma possiamo distinguere due fasi: lo stato Meissner, Meissner caratterizzato da una densità di corrente decrescente verso il centro e campo magnetico nullo; lo stato critico, con densità di corrente costante (critica) e gradiente di vortici nucleati dai bordi Il pattern magnetico di superconduttori: instabilità dendritica instabilità dendritica Superconduttore MgB2 film Pattern magnetico irregolare causato dall’instabilità termomagnetica dei vortici: formazione di dendriti Magneto-ottica con campo applicato crescente In collaborazione con C. Ferdeghini, V. Ferrando, INFM-LAMIA, Dipartimento di Fisica, Università di Genova Il pattern magnetico di superconduttori: instabilità dendritica instabilità dendritica F. Laviano, D. Botta, C. Ferdeghini, V. Ferrando, L. Gozzelino and E. Mezzetti, in “Magneto-Optical Imaging”, edited by T.H. Johansen and D.V. Shantsev, Kluwer Academic Publishers (2004), 237 In collaborazione con C. Ferdeghini, V. Ferrando, INFM-LAMIA, Dipartimento di Fisica, Università di Genova Il pattern magnetico di superconduttori: instabilità dendritica instabilità dendritica MOI Zoom Simulatione Simulazione dello sviluppo di un corallo (courtesy of D. Shantsev, University of Oslo) La diffusione dei vortici è governata da interazioni nonlineari ed a lungo raggio: complessità dei pattern magnetici generati Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati microstrutturati Litografia a fascio ionico A. Rovelli, A. Amato, D. Botta, A. Chiodoni, R. Gerbaldo, G. Ghigo, L. Gozzelino, F. Laviano, B. Minetti, and E. Mezzetti, Nucl. Instrum. Methods B 240 842 (2005) Modulazione locale delle proprietà i tà strutturali t tt li ed d elettriche di materiali magnetici e p superconduttivi ((1)) (2) (3) (4) Faradayy cup p and collimator with a pinhole micrometric aperture sample holder with scintillating screen and sample linear stages CCD camera. Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati microstrutturati • Microcanale con densità di corrente ridotta • Posizione perpendicolare rispetto al flusso imperturbato • Creazione di linee di discontinuità p elettrico alle interfacce • Focalizzazione del campo Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati microstrutturati Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati microstrutturati a) T= 5.65 K and μ0Happ= 29.5 mT; b) T= 5.65 K and μ0Happ= 58.8 mT; c) T= 5.65 K and μ0Happ= 88 mT. F. Laviano, R. Gerbaldo, G. Ghigo, L. Gozzelino, B. Minetti and E. Mezzetti, Journal of Novel Magnetism and Superconductivity, Superconductivity in press Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati microstrutturati *Th. Th. Schuster et al., PRB 52 10375 (1995) T= 5.65 K and μ0Happ pp= 88 mT Focalizzazione del campo magnetico (ed elettrico) alle interfacce del microcanale Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati microstrutturati Esempio di pattern complesso: diffusione della sabbia Processo di “saltazione”: Interazione non lineare e a g raggio gg con il vento lungo Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati microstrutturati YBCO microstrutturato con litografia a fascio ionico. I vortici producono p scie e accumuli come la sabbia! (a) (b) (c) (d) 100 μm Il pattern magnetico di eterostrutture ferromagnete/s percond ttore ferromagnete/superconduttore YBCO/LSMO bi-layer: bi l eterostruttura t t tt costituita tit it d da perovskite kit fferromagnetica ti con depositato d it t sopra film fil superconduttore. Il substrato contiene twin-boundaries, riprodotti nei film depositati In collaborazione con Piotr Przyslupski e Andrzej Wisniewski, Polish Academy off Sciences, S Institute off Physics, Poland Il pattern magnetico di eterostrutture ferromagnete/s percond ttore ferromagnete/superconduttore Pattern dei vortici che diffondono all’interno del superconduttore ed i t interagiscono i con i domini del ferromagnete μ0H||z = 3 mT T = 4.2 K 40 4.0 3.5 DW ΔBz (m mT) 3.0 25 2.5 2.0 DW 1.5 1.0 .0 200 μm -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 mT ΔBz [( [(μ (μ0Ha = 3 mT)) – (μ0Ha = 0 mT)] ) 0 20 40 60 80 100 120 140 position (μm) Il pattern magnetico di eterostrutture ferromagnete/s percond ttore channeling ferromagnete/superconduttore: channeling T = 4.2 K Twin boundaries longitudinali rispetto alla ll forza f di Lorentz L t F. Laviano, L. Gozzelino, E. Mezzetti, P. Przyslupski, A. Tsarev, A. Wisniewski, Appl. Phys. Lett. 86, 152501 (2005) So Sommario a o • Il campo p magnetico g fa p parte delle forze fondamentali che g governano la natura • La L visualizzazione i li i d dell campo magnetico ti è di primaria i i iimportanza t per la comprensione dei fenomeni fisici sia su scala macroscopica sia microscopica p • Nei materiali ferromagnetici e superconduttivi, la distribuzione magnetica ti assume pattern tt complessi l i che h rispecchiano i hi lla non uniformità della distribuzione di carica • Tra le tecniche sviluppate per l’osservazione della distribuzione di campo magnetico, la tecnica magneto-ottica è l’unica che consente di vedere d lletteralmente tt l t il campo magnetico ti con l’l’occhio hi umano, con risoluzione micrometrica, su un campo macroscopico Ri Ringraziamenti i ti Gruppo Superconduttività Politecnico di Torino: Enrica Mezzetti Bruno Minetti Roberto Gerbaldo Gianluca Ghigo Laura Gozzelino Argonne National Laboratory: Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica: E. Helmut Brandt Joachim Albrecht Domenico Andreone Giorgio Bertotti Università di Bath: Università di Napoli: Università di Birmingham: Claudio Serpico Adrian Crisan Wai K Kwok Max Planck Institute: Simon Bending Polish Academy of Science: Piotr Przyslupski Andrzej Wisniewski Università di Oslo: Vitali Yurchenko Daniel Shantsev Grazie per l’attenzione! Grazie per l attenzione!