Οι σπειροειδείς δέσμες διαφοροποιούν τις αντισιδηρομαγνητικές καταστάσεις

Οι σπειροειδείς δέσμες διαφοροποιούν τις αντισιδηρομαγνητικές καταστάσεις

Χρονική σήμανση: 29 Απριλίου 2023 4:12 π.μ.
Κόμβος πηγής: 2617006
29 Απριλίου 2023 (Ειδήσεις Nanowerk) Χρησιμοποιώντας σπειροειδείς ακτίνες Χ που δημιουργούνται στην Προηγμένη Πηγή Φωτός (ALS), οι ερευνητές διαφοροποίησαν μεταξύ ενεργειακά ισοδύναμων ("εκφυλισμένων") καταστάσεων σε ένα αντισιδηρομαγνητικό πλέγμα (Φυσική αναθεώρηση Β, “Antiferromagnetic real-space configuration probed by dichroism in scattered x-ray beams with orbital angular momentum”). Η εργασία δείχνει τη δυνατότητα αυτών των δοκών να ανιχνεύουν ιδιότητες που διαφορετικά θα ήταν απρόσιτες, να κατανοήσουν καλύτερα φαινόμενα θεμελιώδους ενδιαφέροντος και για εφαρμογές όπως σπιντρονική. (α) Σχηματικό πείραμα, που δείχνει νανομαγνητικό πλέγμα με ελάττωμα, δέσμες OAM με αντίθετες ελικότητες και σχέδιο περίθλασης δείγματος. (β) Μοτίβο περίθλασης με κυκλικά εφέ διχρωμίας που υποδεικνύονται χρησιμοποιώντας κόκκινο και μπλε (α) Σε αυτό το πείραμα, κυκλικά πολωμένες ακτίνες Χ διασκορπίστηκαν από μια αντισιδηρομαγνητική συστοιχία με ελάττωμα πλέγματος, παράγοντας σπειροειδείς δέσμες με τροχιακή γωνιακή ορμή (OAM) θετικής και αρνητικής ελικότητας. (β) Τα μοτίβα περίθλασης που προκύπτουν διαφέρουν ανάλογα με την πόλωση και την ελικότητα της δέσμης (ένα φαινόμενο γνωστό ως διχρωμία). Οι κορυφές με τάξη περίθλασης (Η) +1 και -1 έχουν θετική και αρνητική ελικότητα (ℓ), αντίστοιχα. Κάθε κορυφή έχει μισό θετικό (κόκκινο) και μισό αρνητικό (μπλε) κυκλικό διχρωμία, με το μοτίβο ανεστραμμένο για αντίθετες ελικότητες. (Εικόνα: Berkeley Lab)

Ακτίνες Χ με συστροφή

Τα πειράματα ακτίνων Χ είναι ένα σημαντικό εργαλείο για την κατανόηση των ηλεκτρονικών και μαγνητικών ιδιοτήτων των υλικών. Η πόλωση (δηλ. η κατεύθυνση του ταλαντούμενου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου) των ακτίνων Χ χρησιμοποιείται συχνά για την ανίχνευση της ανισοτροπίας ή της χειρομορφίας. Μια ιδιότητα των ακτίνων Χ που δεν έχει ακόμη χρησιμοποιηθεί σε πειράματα είναι η τροχιακή τους γωνιακή ορμή (OAM). Οι ακτίνες Χ με OAM έχουν μια αζιμουθιακά μεταβαλλόμενη φάση, που σημαίνει ότι η φάση συστρέφεται καθώς οι ακτίνες Χ διαδίδονται. Αυτό οδηγεί σε μια κλίση στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, που θα μπορούσε να προκαλέσει τα στριμμένα φωτόνια να έχουν διαφορετικές αλληλεπιδράσεις με τα υλικά. Οι ακτίνες Χ με OAM έχουν ελικότητα ℓ = ±1, η οποία αντιστοιχεί στο εάν η φάση συστρέφεται προς τη φορά των δεικτών του ρολογιού ή αριστερόστροφα. Παρόμοια με τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιείται η πόλωση στα πειράματα, το OAM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση χειρομορφίας και μαγνητισμού, και ενδεχομένως πιο εξωτικών ιδιοτήτων όπως η τοπολογία. Θα μπορούσε επίσης να βελτιώσει την ανάλυση των τεχνικών απεικόνισης ακτίνων Χ και μικροσκοπίας. Σε αυτή την εργασία, οι ερευνητές έδειξαν πώς τα αποτελέσματα που εξαρτώνται από την ελικοειδή στη σκέδαση συντονισμού ακτίνων Χ (RXS) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διερεύνηση της μαγνητικής διαμόρφωσης ενός πλέγματος.

Δημιουργία στριμμένου φωτός

Ένας τρόπος για να δημιουργήσετε δέσμες ακτίνων Χ με OAM είναι η σκέδαση από ένα τοπολογικό ελάττωμα. Εδώ, ένα τετράγωνο πλέγμα από νανομαγνήτες μόνιμου κράματος συντέθηκε σε ένα υπόστρωμα πυριτίου. Δύο επιπλέον νανομαγνήτες εισήχθησαν στο κέντρο για να δημιουργήσουν ένα τοπολογικό ελάττωμα ακμής. (α) Εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης της νανομαγνητικής συστοιχίας με τοπολογικό ελάττωμα. (β) Η μαγνητική διαμόρφωση, μετρημένη με χρήση PEEM XMCD, δείχνει την αντισιδηρομαγνητική διάταξη του πλέγματος (α) Εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης της νανομαγνητικής συστοιχίας με τοπολογικό ελάττωμα. (β) Η μαγνητική διαμόρφωση, που μετρήθηκε χρησιμοποιώντας PEEM XMCD, δείχνει την αντισιδηρομαγνητική διάταξη του πλέγματος. (Εικόνα: Berkeley Lab) Στο ALS Beamline 11.0.1.1, χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο φωτοεκπομπής (PEEM) με μαγνητικό κυκλικό διχρωμισμό ακτίνων Χ (XMCD) για την απεικόνιση της μαγνητικής διαμόρφωσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι νανομαγνήτες ταξινομούνται αντισιδηρομαγνητικά, όπου η κατεύθυνση της μαγνήτισης εναλλάσσεται σε παρακείμενους νανομαγνήτες. Για να διερευνηθεί τι μπορούν να αποκαλύψουν οι δέσμες OAM σχετικά με το αντισιδηρομαγνητικό πλέγμα, πραγματοποιήθηκαν πειράματα RXS με κυκλικά πολωμένο φως στο ALS Beamline 7.0.1.1 (COSMIC Scattering). Η σκέδαση από τους νανομαγνήτες δημιούργησε δέσμες τόσο με θετικές όσο και με αρνητικές έλικες OAM και χρησιμοποιήθηκε κυκλικός διχρωμισμός για να συγκριθούν δέσμες αντίθετης ελικότητας σε διακριτές αντισιδηρομαγνητικές κορυφές.

Σκέδαση εξαρτώμενη από ελικοειδές

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η κυκλική διχρωμία έχει ένα ευδιάκριτο σχέδιο, το οποίο είναι ανεστραμμένο για δοκούς αντίθετης ελίκωσης. Επιπλέον, το αντισιδηρομαγνητικό πλέγμα σχηματίζεται σε μία από τις δύο εκφυλισμένες θεμελιώδεις καταστάσεις και ο κυκλικός διχρωμισμός που εξαρτάται από την ελικότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάκριση μεταξύ τους. Κυκλική διάταξη έξι κόκκινων/μπλε μοτίβων περίθλασης, με τρία να δείχνουν κόκκινες κηλίδες πάνω από μπλε κηλίδες και τρία να δείχνουν μπλε κηλίδες πάνω από κόκκινες κηλίδες. Στο κέντρο υπάρχουν οι λέξεις «Θερμικός κύκλος» Αλλαγή της αντισιδηρομαγνητικής βασικής κατάστασης. Όταν θερμαίνεται στους 380 Κ και ψύχεται ξανά σε θερμοκρασία δωματίου, σχηματίζεται τυχαία μία από τις δύο αντισιδηρομαγνητικές θεμελιώδεις καταστάσεις. Εδώ, εμφανίζεται η διχρωμία θερμοκρασίας δωματίου για κάθε έναν από τους έξι θερμικούς κύκλους. (Εικόνα: Berkeley Lab) Δεδομένου ότι οι δύο βασικές καταστάσεις είναι εκφυλισμένες, θα πρέπει να σχηματιστούν με ίση πιθανότητα εάν ο αντισιδηρομαγνήτης θερμανθεί και επιστρέψει σε θερμοκρασία δωματίου. Για να το ελέγξουμε αυτό, η νανομαγνητική συστοιχία θερμάνθηκε επανειλημμένα στους 380 Κ και ψύχθηκε. Σε θερμοκρασία δωματίου, και οι δύο διαμορφώσεις εμφανίστηκαν με περίπου ίση πιθανότητα, όπως αναμενόταν για τυχαία θερμική εναλλαγή μεταξύ δύο εκφυλισμένων βασικών καταστάσεων. Αυτό είναι ένα από τα πρώτα πειράματα που έδειξαν πώς η ελικότητα του φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη του μαγνητισμού. Οι πληροφορίες σχετικά με τη μαγνητική διαμόρφωση ενός πλέγματος σε πραγματικό χώρο είναι συνήθως απρόσιτες σε τέτοια πειράματα, επομένως αυτή η εργασία καταδεικνύει τη δυνατότητα των δεσμών OAM να αποκτήσουν πληροφορίες πέρα ​​από αυτό που συνήθως λαμβάνεται σε άλλα πειράματα. Οι ελπιδοφόρες μελλοντικές οδοί περιλαμβάνουν τη χρήση δεσμών OAM σε μελέτες περίθλασης συντονισμού των παραδοσιακών αντισιδηρομαγνητών, σε μελέτες νανοθλάσης τοιχωμάτων και ελαττωμάτων περιοχής και, εάν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια δέσμη OAM για τη μέτρηση συγκεκριμένων υποδικτυωμάτων σπιν, για την άμεση μέτρηση ρευμάτων σπιν.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Νανοχόκ