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May 04, 2023

Desbloqueando las nanoestructuras secretas de los materiales magnéticos con la iluminación adecuada

Por el Instituto Max Born de Óptica No Lineal y Espectroscopía de Pulso Corto (MBI)Mayo

Por Instituto Max Born de Óptica No Lineal y Espectroscopía de Pulso Corto (MBI)26 de mayo de 2023

Impresión artística del experimento XMCD. La luz de rayos X suaves de una fuente de plasma primero se polariza circularmente mediante la transmisión a través de una película magnética. Posteriormente, la magnetización en la muestra real se puede determinar con precisión. Crédito: Christian Tzschaschel

Investigadores del Instituto Max Born de Berlín han realizado con éxito experimentos de dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD) en un laboratorio de láser por primera vez.

Desbloquear los secretos de los materiales magnéticos requiere la iluminación adecuada. El dicroísmo circular magnético de rayos X permite decodificar el orden magnético en nanoestructuras y asignarlo a diferentes capas o elementos químicos. Investigadores del Instituto Max Born de Berlín lograron implementar esta técnica de medición única en el rango de rayos X blandos en un laboratorio de láser. Con este desarrollo, muchas preguntas tecnológicamente relevantes ahora se pueden investigar fuera de las instalaciones científicas a gran escala por primera vez.

Las nanoestructuras magnéticas forman parte de nuestra vida cotidiana desde hace mucho tiempo, por ejemplo, en forma de dispositivos de almacenamiento de datos rápidos y compactos o sensores de alta sensibilidad. Una importante contribución a la comprensión de muchos de los efectos y funcionalidades magnéticos relevantes se realiza mediante un método de medición especial: el dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD).

Este impresionante término describe un efecto fundamental de la interacción entre la luz y la materia: en un material ferromagnético, hay un desequilibrio de electrones con un cierto momento angular, el espín. Si se proyecta luz polarizada circularmente, que también tiene un momento angular definido, a través de un ferroimán, se observa una clara diferencia en la transmisión para una alineación paralela o antiparalela de los dos momentos angulares, lo que se denomina dicroísmo.

Este dicroísmo circular de origen magnético es particularmente pronunciado en la región de rayos X blandos (200 a 2000 eV de energía de las partículas de luz, correspondientes a una longitud de onda de solo 6 a 0,6 nm), cuando se consideran los bordes de transición de absorción específicos del elemento. metales, como hierro, níquel o cobalto, así como tierras raras, como disprosio o gadolinio. Estos elementos son particularmente importantes para la aplicación técnica de los efectos magnéticos.

El efecto XMCD permite determinar con precisión el momento magnético de los respectivos elementos, incluso en capas enterradas en un material y sin dañar el sistema de muestra. Si la radiación de rayos X blandos polarizada circularmente llega en pulsos muy cortos de femto a picosegundos (ps), incluso los procesos de magnetización ultrarrápidos pueden monitorearse en la escala de tiempo relevante. Hasta ahora, el acceso a la radiación de rayos X requerida solo ha sido posible en instalaciones científicas a gran escala, como fuentes de radiación de sincrotrón o láseres de electrones libres (FEL), y por lo tanto ha estado fuertemente limitado.

La transmisión promediada a través de la muestra investigada en los bordes de absorción de Fe L (puntos de datos negros) se puede medir con precisión y se describe bien mediante una simulación (línea negra). En los dos máximos de absorción, ver recuadros, se observa un dicroísmo significativo para las dos direcciones diferentes de magnetización de saturación de la muestra. Hasta ahora, tales experimentos solo han sido posibles en instalaciones a gran escala. Crédito: Instituto Max Born

A team of researchers around junior research group leader Daniel Schick at the Max Born Institute (MBI) in Berlin has now succeeded for the first time in realizing XMCD experiments at the absorption L edges of iron at a photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">energía fotónica de alrededor de 700 eV en un laboratorio de láser.

A laser-driven plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Se usó una fuente de plasma para generar la luz de rayos X suave requerida, enfocando pulsos láser ópticos muy cortos (2 ps) e intensos (200 mJ por pulso) en un cilindro de tungsteno. El plasma generado emite mucha luz continuamente en el rango espectral relevante de 200-2000 eV con una duración de pulso inferior a 10 ps. Sin embargo, debido al proceso de generación estocástica en el plasma, no se cumple un requisito muy importante para observar XMCD: la polarización de la luz de rayos X suaves no es circular, como se requiere, sino completamente aleatoria, similar a la de una luz. bulbo.

Por lo tanto, los investigadores utilizaron un truco: la luz de rayos X pasa primero a través de un filtro de polarización magnética en el que está activo el mismo efecto XMCD descrito anteriormente. Debido a la transmisión dicroica dependiente de la polarización, se puede generar un desequilibrio de partículas de luz con momento angular paralelo frente a antiparalelo en relación con la magnetización del filtro. Después de pasar a través del filtro de polarización, la luz de rayos X suaves polarizada parcialmente circular o elípticamente se puede emplear para el experimento XMCD real en una muestra magnética.

Asimetría magnética detrás del polarizador y la muestra examinada en los bordes de absorción de Fe L. Los dos colores corresponden a mediciones con magnetización inversa del polarizador: la dirección de magnetización de la muestra es inmediatamente evidente a partir del signo del dicroísmo observado (curva azul frente a roja). Las medidas se pueden reproducir con mucha precisión mediante simulaciones (líneas). Crédito: Instituto Max Born

El trabajo, publicado en la revista científica OPTICA, demuestra que las fuentes de rayos X basadas en láser se están poniendo al día con las instalaciones a gran escala. "Nuestro concepto para generar rayos X suaves polarizados circularmente no solo es muy flexible sino también parcialmente superior a los métodos convencionales en espectroscopia XMCD debido a la naturaleza de banda ancha de nuestra fuente de luz", dice el primer autor del estudio y estudiante de doctorado en el MBI. , Martín Borchert. En particular, la duración del pulso ya demostrada de los pulsos de rayos X generados de solo unos pocos picosegundos abre nuevas posibilidades para observar y, en última instancia, comprender incluso los procesos de magnetización muy rápidos, por ejemplo, cuando se activan con destellos de luz ultracortos.

Referencia: "Espectroscopia de dicroísmo circular magnético de rayos X en los bordes de Fe L con una fuente de plasma impulsada por láser de picosegundos" por Martin Borchert, Dieter Engel, Clemens von Korff Schmising, Bastian Pfau, Stefan Eisebitt y Daniel Schick, 4 de abril de 2023, Optica .DOI: 10.1364/OPTICA.480221