Les faisceaux en spirale différencient les états antiferromagnétiques

Les faisceaux en spirale différencient les états antiferromagnétiques

Horodatage: 29 avril 2023 4:12
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29 avril 2023 (Actualités Nanowerk) À l’aide de faisceaux de rayons X en spirale générés par l’Advanced Light Source (ALS), les chercheurs ont différencié les états énergétiquement équivalents (« dégénérés ») dans un réseau antiferromagnétique (Examen physique B, “Antiferromagnetic real-space configuration probed by dichroism in scattered x-ray beams with orbital angular momentum”). Les travaux montrent le potentiel de ces faisceaux pour sonder des propriétés qui seraient autrement inaccessibles, pour mieux comprendre des phénomènes d'intérêt fondamental et pour des applications telles que spintronique. (a) Schéma de l'expérience, montrant un réseau de nano-aimants avec défaut, des faisceaux OAM avec des hélicités opposées et un échantillon de diagramme de diffraction. (b) Diagramme de diffraction avec effets de dichroïsme circulaire indiqués en rouge et bleu (a) Dans cette expérience, des rayons X polarisés circulairement ont été diffusés par un réseau antiferromagnétique présentant un défaut de réseau, produisant des faisceaux en spirale avec un moment cinétique orbital (OAM) d'hélicité positive et négative. (b) Les diagrammes de diffraction résultants diffèrent en fonction de la polarisation et de l'hélicité du faisceau (un effet connu sous le nom de dichroïsme). Les pics avec un ordre de diffraction (H) de +1 et -1 ont respectivement une hélicité positive et négative (ℓ). Chaque pic présente un dichroïsme circulaire moitié positif (rouge) et moitié négatif (bleu), le motif étant inversé pour les hélicités opposées. (Image : Laboratoire de Berkeley)

Des faisceaux de rayons X avec une torsion

Les expériences aux rayons X sont un outil important pour comprendre les propriétés électroniques et magnétiques des matériaux. La polarisation (c'est-à-dire la direction du champ électromagnétique oscillant) des rayons X est souvent utilisée pour sonder l'anisotropie ou la chiralité. Une propriété des rayons X qui n’a pas encore été utilisée dans les expériences est leur moment cinétique orbital (OAM). Les rayons X avec OAM ont une phase variable en azimut, ce qui signifie que la phase se tord à mesure que les rayons X se propagent. Cela conduit à un gradient dans le champ électromagnétique, ce qui pourrait amener les photons torsadés à avoir des interactions différentes avec les matériaux. Les rayons X avec OAM ont une hélicité ℓ = ±1, ce qui correspond au fait que la phase tourne dans le sens horaire ou antihoraire. De la même manière que la polarisation est utilisée dans les expériences, l'OAM peut être utilisé pour sonder la chiralité et le magnétisme, ainsi que des propriétés potentiellement plus exotiques comme la topologie. Cela pourrait également améliorer la résolution des techniques d’imagerie aux rayons X et de microscopie. Dans ce travail, les chercheurs ont montré comment les effets dépendant de l’hélicité dans la diffusion résonante des rayons X (RXS) peuvent être utilisés pour étudier la configuration magnétique d’un réseau.

Créer une lumière tordue

Une façon de créer des faisceaux de rayons X avec l'OAM consiste à les diffuser à partir d'un défaut topologique. Ici, un réseau carré de nanoaimants en permalloy a été synthétisé sur un substrat de silicium. Deux nano-aimants supplémentaires ont été insérés au centre pour créer un défaut de bord topologique. (a) Une image au microscope électronique à balayage du réseau de nano-aimants présentant un défaut topologique. (b) La configuration magnétique, mesurée à l'aide de PEEM XMCD, montre l'ordre antiferromagnétique du réseau (a) Une image au microscope électronique à balayage du réseau de nano-aimants présentant un défaut topologique. (b) La configuration magnétique, mesurée à l'aide de PEEM XMCD, montre l'ordre antiferromagnétique du réseau. (Image : Berkeley Lab) Sur ALS Beamline 11.0.1.1, la microscopie électronique à photoémission (PEEM) avec dichroïsme circulaire magnétique à rayons X (XMCD) a été utilisée pour imager la configuration magnétique. Les résultats ont montré que les nanoaimants s'ordonnent de manière antiferromagnétique, la direction de l'aimantation alternant sur les nanoaimants adjacents. Pour étudier ce que les faisceaux OAM peuvent révéler sur le réseau antiferromagnétique, des expériences RXS ont été réalisées avec une lumière polarisée circulairement sur la ligne de faisceau ALS 7.0.1.1 (diffusion COSMIC). La diffusion à partir des nanoaimants a créé des faisceaux avec des hélicités OAM à la fois positives et négatives, et le dichroïsme circulaire a été utilisé pour comparer des faisceaux d'hélicités opposées à des pics antiferromagnétiques distincts.

Diffusion dépendante de l'hélicité

Les chercheurs ont découvert que le dichroïsme circulaire présente un motif distinct, qui est inversé pour les faisceaux d’hélicité opposée. De plus, le réseau antiferromagnétique se forme dans l'un des deux états fondamentaux dégénérés, et le dichroïsme circulaire dépendant de l'hélicité peut être utilisé pour les distinguer. Disposition circulaire de six diagrammes de diffraction rouge/bleu, trois montrant des points rouges au-dessus des points bleus et trois montrant des points bleus au-dessus des points rouges. Au centre se trouvent les mots « Cyclisme thermique » Modification de l'état fondamental antiferromagnétique. Lorsqu'il est chauffé à 380 K et refroidi à température ambiante, l'un des deux états fondamentaux antiferromagnétiques se forme de manière aléatoire. Ici, le dichroïsme à température ambiante est représenté pour chacun des six cycles thermiques. (Image : Berkeley Lab) Étant donné que les deux états fondamentaux sont dégénérés, ils devraient se former avec une probabilité égale si l'antiferromagnétique est chauffé et ramené à température ambiante. Pour tester cela, le réseau de nano-aimants a été chauffé à plusieurs reprises jusqu’à 380 K et refroidi. À température ambiante, les deux configurations apparaissent avec une probabilité à peu près égale, comme prévu pour une commutation thermique aléatoire entre deux états fondamentaux dégénérés. Il s’agit de l’une des premières expériences montrant comment l’hélicité de la lumière peut être utilisée pour étudier le magnétisme. Les informations sur la configuration magnétique d'un réseau dans l'espace réel sont généralement inaccessibles dans de telles expériences. Ce travail démontre donc le potentiel des faisceaux OAM pour obtenir des informations au-delà de ce qui est généralement obtenu dans d'autres expériences. Les pistes futures prometteuses incluent l'utilisation de faisceaux OAM dans les études de diffraction résonante d'antiferromagnétiques traditionnels, dans les études de nanodiffraction des parois et des défauts de domaine et, si un faisceau OAM peut être utilisé pour mesurer des sous-réseaux de spin spécifiques, pour mesurer directement les courants de spin.

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