Spiralstråler differentierer antiferromagnetiske tilstande

Spiralstråler differentierer antiferromagnetiske tilstande

Tidsstempel: 29. april 2023 kl. 4
Kildeknude: 2617006
29. april 2023 (Nanowerk nyheder) Ved hjælp af spiralformede røntgenstråler genereret ved den avancerede lyskilde (ALS) skelnede forskere mellem energisk ækvivalente ("degenererede") tilstande i et antiferromagnetisk gitter (Fysisk gennemgang B, “Antiferromagnetic real-space configuration probed by dichroism in scattered x-ray beams with orbital angular momentum”). Arbejdet viser disse strålers potentiale til at sondere egenskaber, der ellers ville være utilgængelige, for bedre at forstå fænomener af fundamental interesse og til anvendelser som f.eks. spintronik. (a) Skematisk af eksperimentet, der viser nanomagnetgitter med defekt, OAM-stråler med modsatte heliciteter og et prøvediffraktionsmønster. (b) Diffraktionsmønster med cirkulære dikroisme-effekter angivet ved hjælp af rød og blå (a) I dette eksperiment blev cirkulært polariserede røntgenstråler spredt af et antiferromagnet-array med en gitterdefekt, hvilket producerede spiralstråler med orbital vinkelmomentum (OAM) med både positiv og negativ helicitet. (b) De resulterende diffraktionsmønstre adskiller sig afhængigt af strålens polarisering og helicitet (en effekt kendt som dikroisme). Toppene med en diffraktionsorden (H) på +1 og -1 har henholdsvis positiv og negativ helicitet (ℓ). Hver top har halv positiv (rød) og halv negativ (blå) cirkulær dikroisme, med mønsteret omvendt for modsatte heliciteter. (Billede: Berkeley Lab)

Røntgenstråler med et twist

Røntgenforsøg er et vigtigt redskab til at forstå materialers elektroniske og magnetiske egenskaber. Polariseringen (dvs. retningen af ​​det oscillerende elektromagnetiske felt) af røntgenstråler bruges ofte til at undersøge anisotropi eller chiralitet. En egenskab ved røntgenstråler, der endnu ikke er blevet brugt i eksperimenter, er deres orbitale vinkelmoment (OAM). Røntgenstråler med OAM har en azimutalt varierende fase, hvilket betyder, at fasen vrider sig, efterhånden som røntgenstrålerne forplanter sig. Dette fører til en gradient i det elektromagnetiske felt, som kan få de snoede fotoner til at have forskellige interaktioner med materialer. Røntgenstråler med OAM har en helicitet ℓ = ±1, hvilket svarer til om fasen vrider sig i retningen med eller mod uret. I lighed med hvordan polarisering bruges i eksperimenter, kan OAM bruges til at undersøge chiralitet og magnetisme og potentielt mere eksotiske egenskaber som topologi. Det kunne også forbedre opløsningen af ​​røntgenbilleddannelse og mikroskopiteknikker. I dette arbejde viste forskere, hvordan helicitetsafhængige effekter i resonant røntgenspredning (RXS) kan bruges til at undersøge den magnetiske konfiguration af et gitter.

Skaber snoet lys

En måde at skabe røntgenstråler med OAM er ved spredning fra en topologisk defekt. Her blev et kvadratisk gitter af permalloy nanomagneter syntetiseret på et siliciumsubstrat. To ekstra nanomagneter blev indsat i midten for at skabe en topologisk kantdefekt. (a) Et scanningselektronmikroskopbillede af nanomagnet-arrayet med en topologisk defekt. (b) Den magnetiske konfiguration, målt ved hjælp af PEEM XMCD, viser den antiferromagnetiske rækkefølge af gitteret (a) Et scanningselektronmikroskopbillede af nanomagnet-arrayet med en topologisk defekt. (b) Den magnetiske konfiguration, målt ved hjælp af PEEM XMCD, viser den antiferromagnetiske rækkefølge af gitteret. (Billede: Berkeley Lab) Ved ALS Beamline 11.0.1.1 blev fotoemissionselektronmikroskopi (PEEM) med røntgenmagnetisk cirkulær dikroisme (XMCD) brugt til at afbilde den magnetiske konfiguration. Resultaterne viste, at nanomagneterne ordner antiferromagnetisk, hvor magnetiseringsretningen veksler på tilstødende nanomagneter. For at undersøge, hvad OAM-stråler kan afsløre om det antiferromagnetiske gitter, blev RXS-eksperimenter udført med cirkulært polariseret lys ved ALS Beamline 7.0.1.1 (COSMIC Scattering). Spredning fra nanomagneterne skabte stråler med både positive og negative OAM-heliciteter, og cirkulær dikroisme blev brugt til at sammenligne stråler med modsat helicitet ved forskellige antiferromagnetiske toppe.

Helicitetsafhængig spredning

Forskerne fandt ud af, at den cirkulære dikroisme har et tydeligt mønster, som er omvendt for stråler med modsat helicitet. Ydermere dannes det antiferromagnetiske gitter i en af ​​to degenererede grundtilstande, og den helicitetsafhængige cirkulære dikroisme kan bruges til at skelne mellem dem. Cirkulært arrangement af seks røde/blå diffraktionsmønstre, hvor tre viser røde pletter oven på blå pletter, og tre viser blå pletter oven på røde pletter. I midten står ordene 'Thermal cycling' Ændring af den antiferromagnetiske grundtilstand. Når den opvarmes til 380 K og afkøles tilbage til stuetemperatur, dannes en af ​​to antiferromagnetiske grundtilstande tilfældigt. Her er rumtemperatur-dikroismen vist for hver af seks termiske cyklusser. (Billede: Berkeley Lab) Da de to grundtilstande er degenererede, bør de dannes med lige stor sandsynlighed, hvis antiferromagneten opvarmes og returneres til stuetemperatur. For at teste dette blev nanomagnet-arrayet gentagne gange opvarmet til 380 K og afkølet. Ved stuetemperatur optrådte begge konfigurationer med omtrent samme sandsynlighed, som forventet for tilfældig termisk skift mellem to degenererede jordtilstande. Dette er et af de første eksperimenter, der viser, hvordan lysets helicitet kan bruges til at studere magnetisme. Information om den magnetiske konfiguration i det virkelige rum af et gitter er normalt utilgængelig i sådanne eksperimenter, så dette arbejde demonstrerer potentialet for OAM-stråler til at få information ud over, hvad der typisk opnås i andre eksperimenter. Lovende fremtidige veje inkluderer brug af OAM-stråler i resonansdiffraktionsundersøgelser af traditionelle antiferromagneter, i nanodiffraktionsundersøgelser af domænevægge og defekter, og, hvis en OAM-stråle kan bruges til at måle specifikke spin-subgitter, til direkte måling af spinstrømme.

Tidsstempel:

Mere fra Nanoværk