I fasci a spirale differenziano gli stati antiferromagnetici

29 aprile 2023 (Notizie Nanowerk) Utilizzando fasci di raggi X a spirale generati presso l'Advanced Light Source (ALS), i ricercatori hanno differenziato tra stati energeticamente equivalenti ("degenerati") in un reticolo antiferromagnetico (Revisione fisica B, “Antiferromagnetic real-space configuration probed by dichroism in scattered x-ray beams with orbital angular momentum”). Il lavoro mostra il potenziale di questi fasci per sondare proprietà altrimenti inaccessibili, per comprendere meglio fenomeni di fondamentale interesse e per applicazioni come spintronica. (a) In questo esperimento, i raggi X polarizzati circolarmente sono stati diffusi da una matrice di antiferromagnete con un difetto reticolare, producendo fasci a spirale con momento angolare orbitale (OAM) di elicità sia positiva che negativa. (b) I modelli di diffrazione risultanti differiscono a seconda della polarizzazione e dell'elicità del fascio (un effetto noto come dicroismo). I picchi con un ordine di diffrazione (H) di +1 e -1 hanno rispettivamente un'elicità positiva e negativa (ℓ). Ciascun picco ha un dicroismo circolare per metà positivo (rosso) e per metà negativo (blu), con lo schema invertito per le elicità opposte. (Immagine: Berkeley Lab)

Raggi X con una torsione

Gli esperimenti con i raggi X sono uno strumento importante per comprendere le proprietà elettroniche e magnetiche dei materiali. La polarizzazione (cioè la direzione del campo elettromagnetico oscillante) dei raggi X viene spesso utilizzata per sondare l'anisotropia o la chiralità. Una proprietà dei raggi X che deve ancora essere utilizzata negli esperimenti è il loro momento angolare orbitale (OAM). I raggi X con OAM hanno una fase che varia in senso azimutale, il che significa che la fase si torce mentre i raggi X si propagano. Ciò porta a un gradiente nel campo elettromagnetico, che potrebbe far sì che i fotoni contorti abbiano interazioni diverse con i materiali. I raggi X con OAM hanno un'elicità ℓ = ±1, che corrisponde alla rotazione della fase in senso orario o antiorario. Analogamente a come viene utilizzata la polarizzazione negli esperimenti, l'OAM può essere utilizzato per sondare la chiralità e il magnetismo e proprietà potenzialmente più esotiche come la topologia. Potrebbe anche migliorare la risoluzione delle tecniche di imaging a raggi X e di microscopia. In questo lavoro, i ricercatori hanno mostrato come gli effetti dipendenti dall'elicità nella diffusione risonante dei raggi X (RXS) possano essere utilizzati per studiare la configurazione magnetica di un reticolo.

Creare luce distorta

Un modo per creare fasci di raggi X con OAM è mediante la diffusione da un difetto topologico. Qui, un reticolo quadrato di nanomagneti in permalloy è stato sintetizzato su un substrato di silicio. Due nanomagneti aggiuntivi sono stati inseriti al centro per creare un difetto topologico sui bordi. (a) Un'immagine al microscopio elettronico a scansione della matrice di nanomagneti con un difetto topologico. (b) La configurazione magnetica, misurata utilizzando PEEM XMCD, mostra l'ordinamento antiferromagnetico del reticolo. (Immagine: Berkeley Lab) All'ALS Beamline 11.0.1.1, è stata utilizzata la microscopia elettronica a fotoemissione (PEEM) con dicroismo circolare magnetico a raggi X (XMCD) per visualizzare la configurazione magnetica. I risultati hanno mostrato che i nanomagneti si ordinano in modo antiferromagnetico, dove la direzione della magnetizzazione si alterna sui nanomagneti adiacenti. Per studiare cosa i raggi OAM possono rivelare sul reticolo antiferromagnetico, gli esperimenti RXS sono stati eseguiti con luce polarizzata circolarmente su ALS Beamline 7.0.1.1 (COSMIC Scattering). La diffusione dei nanomagneti ha creato fasci con elicità OAM sia positive che negative, e il dicroismo circolare è stato utilizzato per confrontare fasci di elicità opposta in picchi antiferromagnetici distinti.

Scattering dipendente dall'elicità

I ricercatori hanno scoperto che il dicroismo circolare ha uno schema distinto, che è invertito per fasci di elicità opposta. Inoltre, il reticolo antiferromagnetico si forma in uno dei due stati fondamentali degeneri e il dicroismo circolare dipendente dall'elicità può essere utilizzato per distinguerli. Modifica dello stato fondamentale antiferromagnetico. Quando riscaldato a 380 K e raffreddato nuovamente a temperatura ambiente, si forma casualmente uno dei due stati fondamentali antiferromagnetici. Qui viene mostrato il dicroismo temperatura ambiente per ciascuno dei sei cicli termici. (Immagine: Berkeley Lab) Poiché i due stati fondamentali sono degenerati, dovrebbero formarsi con la stessa probabilità se l'antiferromagnete viene riscaldato e riportato a temperatura ambiente. Per testarlo, la matrice di nanomagneti è stata ripetutamente riscaldata a 380 K e raffreddata. A temperatura ambiente, entrambe le configurazioni apparivano con la stessa probabilità, come previsto per la commutazione termica casuale tra due stati fondamentali degeneri. Questo è uno dei primi esperimenti che mostrano come l'elicità della luce può essere utilizzata per studiare il magnetismo. Le informazioni sulla configurazione magnetica nello spazio reale di un reticolo sono solitamente inaccessibili in tali esperimenti, quindi questo lavoro dimostra il potenziale dei fasci OAM per ottenere informazioni oltre a quelle tipicamente ottenute in altri esperimenti. Le promettenti strade future includono l'utilizzo di fasci OAM negli studi di diffrazione risonante di antiferromagneti tradizionali, negli studi di nanodiffrazione di pareti e difetti di dominio e, se un raggio OAM può essere utilizzato per misurare sottoreticoli di spin specifici, per misurare direttamente le correnti di spin.

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62919.php