나선형 빔은 반 강자성 상태를 구별합니다.

나선형 빔은 반 강자성 상태를 구별합니다.

타임 스탬프 : 29 년 2023 월 4 일 오전 12:XNUMX
소스 노드 : 2617006
29년 2023월 XNUMX일(나노 워크 뉴스) ALS(Advanced Light Source)에서 생성된 나선형 X선 빔을 사용하여 연구자들은 반강자성 격자(물리적 검토 B, “Antiferromagnetic real-space configuration probed by dichroism in scattered x-ray beams with orbital angular momentum”). 이 연구는 다른 방법으로는 접근할 수 없는 특성을 조사하고 근본적인 관심 현상을 더 잘 이해하며 다음과 같은 응용 분야에서 이러한 빔의 잠재력을 보여줍니다. 스핀트로닉스. (a) 결함이 있는 나노자석 격자, 반대 나선을 갖는 OAM 빔 및 샘플 회절 패턴을 보여주는 실험의 개략도. (b) 빨간색과 파란색을 사용하여 표시된 원형 이색성 효과가 있는 회절 패턴 (a) 이 실험에서 원형 편광 X선은 격자 결함이 있는 반강자성체 배열에 의해 산란되어 양성 및 음성 나선도의 궤도 각 운동량(OAM)을 갖는 나선형 빔을 생성했습니다. (b) 결과적인 회절 패턴은 빔의 편광 및 나선형성(이색성이라고 알려진 효과)에 따라 다릅니다. 회절 차수(H)가 +1과 -1인 피크는 각각 양수 및 음수 나선도(ℓ)를 갖습니다. 각 피크는 절반은 양성(빨간색)이고 절반은 음성(파란색)인 원형 이색성을 가지며 패턴은 반대 나선에 대해 반전됩니다. (이미지 : 버클리 연구소)

트위스트가 포함된 X선 빔

X선 실험은 재료의 전자적, 자기적 특성을 이해하는 데 중요한 도구입니다. X선의 편광(즉, 진동하는 전자기장의 방향)은 종종 이방성 또는 키랄성을 조사하는 데 사용됩니다. 아직 실험에 활용되지 않은 엑스레이의 특성은 궤도각운동량(OAM)입니다. OAM을 사용하는 X선은 방위각적으로 변하는 위상을 가지며, 이는 X선이 전파됨에 따라 위상이 뒤틀린다는 것을 의미합니다. 이로 인해 전자기장의 구배가 발생하여 뒤틀린 광자가 재료와 다른 상호 작용을 할 수 있습니다. OAM을 사용한 X선은 나선도 ℓ = ±1을 가지며, 이는 위상이 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 비틀리는지 여부에 해당합니다. 실험에서 분극이 사용되는 방식과 유사하게 OAM은 키랄성과 자성, 그리고 토폴로지와 같은 잠재적으로 더 이국적인 특성을 조사하는 데 사용될 수 있습니다. 또한 X선 영상 및 현미경 기술의 해상도를 향상시킬 수도 있습니다. 이 연구에서 연구자들은 공명 X선 산란(RXS)의 나선도 의존 효과를 사용하여 격자의 자기 구성을 조사할 수 있는 방법을 보여주었습니다.

뒤틀린 빛 만들기

OAM으로 X선 빔을 생성하는 한 가지 방법은 위상 결함에서 산란하는 것입니다. 여기에서는 퍼멀로이 나노자석의 정사각형 격자가 실리콘 기판 위에 합성되었습니다. 위상학적 가장자리 결함을 생성하기 위해 두 개의 추가 나노자석이 중앙에 삽입되었습니다. (a) 토폴로지 결함이 있는 나노자석 배열의 주사전자현미경 이미지. (b) PEEM XMCD를 사용하여 측정한 자기 구성은 격자의 반강자성 순서를 보여줍니다. (a) 토폴로지 결함이 있는 나노자석 배열의 주사전자현미경 이미지. (b) PEEM XMCD를 사용하여 측정한 자기 구성은 격자의 반강자성 순서를 보여줍니다. (이미지 : 버클리 연구소) ALS Beamline 11.0.1.1에서는 X선 자기 원형 이색성(XMCD)을 갖춘 광방출 전자 현미경(PEEM)을 사용하여 자기 구성을 이미지화했습니다. 결과는 나노자석이 반강자성적으로 정렬되어 있다는 것을 보여주었습니다. 여기서 자화 방향은 인접한 나노자석에서 교대로 나타납니다. OAM 빔이 반강자성 격자에 대해 무엇을 밝힐 수 있는지 조사하기 위해 ALS Beamline 7.0.1.1(COSMIC Scattering)에서 원형 편광을 사용하여 RXS 실험을 수행했습니다. 나노자석에서 산란되어 양수 및 음수 OAM 헬리시티를 모두 갖는 빔이 생성되었으며 원형 이색성은 뚜렷한 반강자성 피크에서 반대 나선의 빔을 비교하는 데 사용되었습니다.

헬리시티 의존 산란

연구자들은 원형 이색성이 반대 나선성의 빔에 대해 반전되는 뚜렷한 패턴을 가지고 있음을 발견했습니다. 더욱이, 반강자성 격자는 두 개의 축퇴된 바닥 상태 중 하나에서 형성되며 나선 의존 원형 이색성은 이들을 구별하는 데 사용될 수 있습니다. XNUMX개의 빨간색/파란색 회절 패턴이 원형으로 배열되어 있으며 XNUMX개는 파란색 점 위에 빨간색 점을 나타내고 XNUMX개는 빨간색 점 위에 파란색 점을 나타냅니다. 중앙에는 'Thermal cycling'이라는 글자가 있습니다. 반강자성 바닥 상태를 변경합니다. 380K로 가열하고 다시 실온으로 냉각하면 두 개의 반강자성 바닥 상태 중 하나가 무작위로 형성됩니다. 여기에서는 380개의 열 사이클 각각에 대한 실온 이색성을 보여줍니다. (이미지 : 버클리 연구소) 두 바닥 상태는 축퇴되기 때문에 반강자성체를 가열하고 실온으로 되돌리면 동일한 확률로 형성되어야 합니다. 이를 테스트하기 위해 나노자석 어레이를 반복적으로 XNUMXK로 가열하고 냉각했습니다. 실온에서 두 개의 축퇴된 바닥 상태 사이의 무작위 열 전환에 대해 예상되는 것처럼 두 구성 모두 거의 동일한 확률로 나타났습니다. 이것은 빛의 나선성이 자기를 연구하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 보여주는 최초의 실험 중 하나입니다. 격자의 실제 자기 구성에 대한 정보는 일반적으로 이러한 실험에서는 접근할 수 없으므로 이 연구는 다른 실험에서 일반적으로 얻는 것 이상의 정보를 얻을 수 있는 OAM 빔의 잠재력을 보여줍니다. 유망한 미래의 길에는 전통적인 반강자성체의 공진 회절 연구, 도메인 벽과 결함의 나노회절 연구, 그리고 OAM 빔을 사용하여 특정 스핀 부격자를 측정할 수 있는 경우 스핀 전류를 직접 측정하는 데 OAM 빔을 사용하는 것이 포함됩니다.

타임 스탬프 :

더보기 나노 워크