Holografía Electrónica

Holografía Electrónica para el mapeo cuantitativo de campos magnéticos

La holografía electrónica (EH) es una técnica interferométrica que permite medir el cambio de fase de la onda electrónica que ha interactuado con campos magnéticos y electrostáticos estáticos. Este cambio de fase proporciona información cuantitativa sobre estos campos electromagnéticos.

En la Holografía Electrónica, la determinación del cambio de fase se realiza superponiendo una onda electrónica llamada de «referencia», que no ha interactuado con ningún campo y solo ha viajado a través del vacío, con otra onda cuya fase ha sido modificada por los campos electromagnéticos producidos por la muestra. La superposición de los dos haces se realiza gracias a un biprisma electrostático (biprisma de Möllenstedt) ubicado en el plano de imagen (o plano de selección de área, SA), dando lugar a un patrón de interferencia (holograma) que puede ser analizado cuantitativamente para extraer ese cambio de fase.

La superposición resultante crea un patrón de interferencia (es decir, el holograma) entre los dos haces:

donde ψref es la onda electronica de referencia, ψs es la onda electronica que ha visto su fase modificada por la muestra, As es la amplitud de ψs, φs(x,y) es el cambio de fase tras la interacción con la muestra y los campos de fuga circundantes, RO es la periodicidad de las franjas del holograma (que depende del voltaje de excitación del biprisma y del voltaje de aceleración de los electrones de los haces).

El cambio de fase φs(x,y) viene dado por el conocido efecto Aharonov-Bohm:

donde V(x,y,z) es el potencial electrostático, B(x,y,z) la componente del campo inducción magnética perpendicular a la trayectoria de los electrones; CE es una constante que depende de la energía de los electrones, e y ℏ son la carga del electron y la constante de Planck.

El cambio de fase contiene dos términos:

• El primer término representa la contribución electrostática al cambio de fase de la onda.
• El segundo término lleva la contribución magnética al cambio de fase (teniendo en cuenta que solo lal componente de la inducción magnética perpendicular al haz de electrones B(x,y,z) contribuye a dicho cambio de fase).

Uno de los principales problemas para la determinación de propiedades magnéticas por EH es la separación de contribuciones tanto magnéticas como electrostáticas. Esto se puede lograr mediante diferentes métodos, uno de los cuales es realizar un primer experimento de EH, luego dar la vuelta a la muestra y hacer un segundo experimento. El cambio de fase debido a la contribución magnética cambia de signo, mientras que la parte electrostática permanece constante. Los cálculos de imágenes permiten separar ambos como en el próximo ejemplo.

Estudio mediante EH de una union tunel magnética de FeV/MgO/Fe:

En el LMA desarrollamos métodos experimentales de EH para realizar estas mediciones con una resolución espacial óptima (inferior a 2 nm en el FEI Titan Cube) y sensibilidad de fase a varias temperaturas y bajo la aplicación controlada in situ de un campo magnético externo. El estudio cuantitativo de configuraciones magnéticas de nano-objetos magnéticos como nanopartículas, nanohilos, películas delgadas magnéticas, uniones túnel magnéticas (MTJs), multicapas magnetorresistivas… Estos estudios se realizan en estado remanente pero también realizando experimentos in situ para describir el proceso de inversión de las muestras magnéticas.

En la siguiente figura se muestra un ejemplo de tales estudios de EH, que muestra los estudios de inversión magnética de un MTJ La0.67Ca0.33MnO3 / SrTiO3 / La0.67Sr0.33MnO3 realizado a 100 K: