پرتوهای مارپیچی حالت های ضد فرومغناطیسی را متمایز می کنند

پرتوهای مارپیچی حالت های ضد فرومغناطیسی را متمایز می کنند

تمبر زمان: 29 آوریل 2023 ساعت 4:12 صبح
گره منبع: 2617006
29 آوریل 2023 (اخبار نانوورکمحققان با استفاده از پرتوهای مارپیچ اشعه ایکس تولید شده در منبع نور پیشرفته (ALS)، بین حالت‌های انرژی معادل ("محو") در یک شبکه ضد فرومغناطیسی تمایز قائل شدند.بررسی فیزیکی ب, “Antiferromagnetic real-space configuration probed by dichroism in scattered x-ray beams with orbital angular momentum”). این کار پتانسیل این پرتوها را برای کاوش در خواصی که در غیر این صورت غیرقابل دسترس بودند، برای درک بهتر پدیده های مورد علاقه اساسی و برای کاربردهایی مانند اسپینترونیک. (الف) شماتیک آزمایش، شبکه نانومغناطیس با نقص، پرتوهای OAM با مارپیچ مخالف و الگوی پراش نمونه را نشان می‌دهد. (ب) الگوی پراش با اثرات دو رنگی دایره ای با استفاده از قرمز و آبی نشان داده شده است (الف) در این آزمایش، پرتوهای ایکس قطبی دایره‌ای توسط یک آرایه ضد فرومغناطیس با یک نقص شبکه پراکنده شدند و پرتوهای مارپیچی با تکانه زاویه‌ای مداری (OAM) با مارپیچ مثبت و منفی ایجاد کردند. (ب) الگوهای پراش حاصل بسته به قطبش و مارپیچ پرتو متفاوت است (اثری که به نام دو رنگی شناخته می شود). قله های با نظم پراش (H) 1+ و 1- به ترتیب دارای مارپیچی مثبت و منفی (ℓ) هستند. هر قله دارای دو رنگ دایره ای نیمه مثبت (قرمز) و نیمی منفی (آبی) است که الگوی آن برای مارپیچ های مخالف معکوس شده است. (تصویر: آزمایشگاه برکلی)

پرتوهای اشعه ایکس با پیچ و تاب

آزمایش های اشعه ایکس ابزار مهمی برای درک خواص الکترونیکی و مغناطیسی مواد هستند. قطبش (یعنی جهت میدان الکترومغناطیسی نوسانی) پرتوهای ایکس اغلب برای بررسی ناهمسانگردی یا کایرالیته استفاده می شود. یکی از ویژگی های اشعه ایکس که هنوز در آزمایش ها مورد استفاده قرار نگرفته است، تکانه زاویه ای مداری آنها (OAM) است. پرتوهای ایکس با OAM دارای یک فاز متغییر متغییر هستند، به این معنی که فاز با انتشار پرتوهای ایکس می پیچد. این منجر به یک گرادیان در میدان الکترومغناطیسی می شود که می تواند باعث شود فوتون های پیچ خورده برهمکنش های متفاوتی با مواد داشته باشند. اشعه ایکس با OAM دارای پیچش 1 ± ℓ است که مربوط به چرخش فاز در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف جهت عقربه‌های ساعت است. مشابه نحوه استفاده از پلاریزاسیون در آزمایش‌ها، OAM می‌تواند برای بررسی کایرالیته و مغناطیس و ویژگی‌های بالقوه عجیب‌تر مانند توپولوژی استفاده شود. همچنین می تواند وضوح تصویربرداری اشعه ایکس و تکنیک های میکروسکوپی را بهبود بخشد. در این کار، محققان نشان دادند که چگونه می توان از اثرات وابسته به مارپیچ در پراکندگی پرتو ایکس تشدید (RXS) برای بررسی پیکربندی مغناطیسی یک شبکه استفاده کرد.

ایجاد نور پیچ خورده

یکی از راه های ایجاد پرتوهای اشعه ایکس با OAM، پراکندگی از یک نقص توپولوژیکی است. در اینجا، یک شبکه مربعی از نانومغناطیس های دائمی بر روی یک بستر سیلیکونی سنتز شد. دو نانومغناطیس اضافی در مرکز قرار داده شد تا یک نقص لبه توپولوژیکی ایجاد کند. (الف) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از آرایه نانومغناطیس با نقص توپولوژیکی. (ب) پیکربندی مغناطیسی، اندازه‌گیری شده با استفاده از PEEM XMCD، ترتیب ضد فرومغناطیسی شبکه را نشان می‌دهد. (الف) تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از آرایه نانومغناطیس با نقص توپولوژیکی. (ب) پیکربندی مغناطیسی، اندازه‌گیری شده با استفاده از PEEM XMCD، ترتیب ضد فرومغناطیسی شبکه را نشان می‌دهد. (تصویر: آزمایشگاه برکلی) در ALS Beamline 11.0.1.1، میکروسکوپ الکترونی گسیل نوری (PEEM) با دو رنگی دایره ای مغناطیسی اشعه ایکس (XMCD) برای تصویربرداری از پیکربندی مغناطیسی استفاده شد. نتایج نشان داد که نانومغناطیس‌ها به صورت ضد فرومغناطیسی مرتب می‌شوند، جایی که جهت مغناطیسی روی نانومغناطیس‌های مجاور تغییر می‌کند. برای بررسی آنچه که پرتوهای OAM می‌توانند در مورد شبکه ضد فرومغناطیسی آشکار کنند، آزمایش‌های RXS با نور قطبی دایره‌ای در ALS Beamline 7.0.1.1 (پراکندگی کیهانی) انجام شد. پراکندگی از نانومغناطیس ها پرتوهایی با مارپیچ OAM مثبت و منفی ایجاد کرد و دو رنگی دایره ای برای مقایسه پرتوهای مارپیچ مخالف در قله های ضد فرومغناطیسی متمایز استفاده شد.

پراکندگی وابسته به هلیسیته

محققان دریافتند که دو رنگی دایره‌ای دارای یک الگوی مشخص است که برای پرتوهای مارپیچ مخالف معکوس است. علاوه بر این، شبکه ضد فرومغناطیسی در یکی از دو حالت پایه منحط شکل می‌گیرد و می‌توان از دورنگی دایره‌ای وابسته به مارپیچ برای تمایز بین آنها استفاده کرد. چیدمان دایره‌ای از شش الگوی پراش قرمز/آبی، با سه مورد نشان‌دهنده لکه‌های قرمز در بالای لکه‌های آبی، و سه نشان‌دهنده لکه‌های آبی در بالای لکه‌های قرمز. در مرکز عبارت «دوچرخه حرارتی» وجود دارد تغییر حالت پایه ضد فرومغناطیسی هنگامی که تا دمای 380 کلوین گرم می شود و دوباره به دمای اتاق سرد می شود، یکی از دو حالت پایه ضد فرومغناطیسی به طور تصادفی تشکیل می شود. در اینجا، دو رنگی دمای اتاق برای هر یک از شش چرخه حرارتی نشان داده شده است. (تصویر: آزمایشگاه برکلی) از آنجایی که دو حالت پایه منحط هستند، اگر ضد فرومغناطیس گرم شود و به دمای اتاق برگردد، باید با احتمال مساوی تشکیل شوند. برای آزمایش این، آرایه نانومغناطیس بارها و بارها تا دمای 380 کلوین گرم شده و خنک شد. در دمای اتاق، هر دو پیکربندی با احتمال مساوی ظاهر شدند، همانطور که برای سوئیچینگ حرارتی تصادفی بین دو حالت پایه منحط انتظار می‌رفت. این یکی از اولین آزمایش‌هایی است که نشان می‌دهد چگونه می‌توان از مارپیچ نور برای مطالعه مغناطیس استفاده کرد. اطلاعات مربوط به پیکربندی مغناطیسی فضای واقعی یک شبکه معمولاً در چنین آزمایش‌هایی غیرقابل دسترس است، بنابراین این کار پتانسیل پرتوهای OAM را برای به دست آوردن اطلاعات فراتر از آنچه معمولاً در آزمایش‌های دیگر به دست می‌آید نشان می‌دهد. راه‌های آینده امیدوارکننده شامل استفاده از پرتوهای OAM در مطالعات پراش تشدید ضد فرومغناطیس‌های سنتی، در مطالعات نانو پراش دیواره‌ها و نقص‌ها، و اگر بتوان از پرتو OAM برای اندازه‌گیری زیرشبکه‌های اسپین خاص استفاده کرد، برای اندازه‌گیری مستقیم جریان‌های اسپینی استفاده کرد.

تمبر زمان:

بیشتر از نانورک