Spiraalvormige bundels differentiëren antiferromagnetische toestanden

Spiraalvormige bundels differentiëren antiferromagnetische toestanden

Tijdstempel: 29 april 2023 4:12 uur
Bronknooppunt: 2617006
29 april 2023 (Nanowerk Nieuws) Met behulp van spiraalvormige röntgenbundels gegenereerd door de Advanced Light Source (ALS), maakten onderzoekers onderscheid tussen energetisch equivalente ("gedegenereerde") toestanden in een antiferromagnetisch rooster (Fysieke beoordeling B, "Antiferromagnetische real-space configuratie gesondeerd door dichroïsme in verstrooide röntgenbundels met orbitaal impulsmoment"). Het werk toont het potentieel van deze bundels om eigenschappen te onderzoeken die anders ontoegankelijk zouden zijn, om fenomenen van fundamenteel belang beter te begrijpen en voor toepassingen zoals spintronica. ( a ) Schematische voorstelling van het experiment, met nanomagneetrooster met defect, OAM-bundels met tegengestelde heliciteiten en een monsterdiffractiepatroon. ( b ) Diffractiepatroon met circulaire dichroïsme-effecten aangegeven met rood en blauw (a) In dit experiment werden circulair gepolariseerde röntgenstralen verstrooid door een antiferromagneetarray met een roosterdefect, waardoor spiraalbundels werden geproduceerd met orbitaal impulsmoment (OAM) met zowel positieve als negatieve heliciteit. (b) De resulterende diffractiepatronen verschillen afhankelijk van de polarisatie en heliciteit van de straal (een effect dat bekend staat als dichroïsme). De pieken met een diffractieorde (H) van +1 en -1 hebben respectievelijk positieve en negatieve heliciteit (ℓ). Elke piek heeft half positief (rood) en half negatief (blauw) circulair dichroïsme, met het patroon omgekeerd voor tegengestelde heliciteiten. (Afbeelding: Berkeley Lab)

Röntgenstralen met een twist

Röntgenexperimenten zijn een belangrijk hulpmiddel om de elektronische en magnetische eigenschappen van materialen te begrijpen. De polarisatie (dwz de richting van het oscillerende elektromagnetische veld) van röntgenstralen wordt vaak gebruikt om anisotropie of chiraliteit te onderzoeken. Een eigenschap van röntgenstralen die nog moet worden gebruikt in experimenten, is hun orbitaal impulsmoment (OAM). Röntgenstralen met OAM hebben een azimutaal variërende fase, wat betekent dat de fase verdraait naarmate de röntgenstralen zich voortplanten. Dit leidt tot een gradiënt in het elektromagnetische veld, waardoor de gedraaide fotonen verschillende interacties met materialen kunnen hebben. Röntgenstralen met OAM hebben een heliciteit ℓ = ±1, wat overeenkomt met of de fase met de klok mee of tegen de klok in draait. Net zoals polarisatie wordt gebruikt in experimenten, kan OAM worden gebruikt om chiraliteit en magnetisme te onderzoeken, en mogelijk meer exotische eigenschappen zoals topologie. Het zou ook de resolutie van röntgenbeeldvorming en microscopietechnieken kunnen verbeteren. In dit werk lieten onderzoekers zien hoe heliciteitsafhankelijke effecten in resonante röntgenverstrooiing (RXS) kunnen worden gebruikt om de magnetische configuratie van een rooster te onderzoeken.

Gedraaid licht creëren

Een manier om röntgenstralen te creëren met OAM is door verstrooiing van een topologisch defect. Hier werd een vierkant rooster van permalloy-nanomagneten gesynthetiseerd op een siliciumsubstraat. Twee extra nanomagneten werden in het midden geplaatst om een ​​topologisch randdefect te creëren. ( a ) Een scanning-elektronenmicroscoopbeeld van de nanomagneetarray met een topologisch defect. (b) De magnetische configuratie, gemeten met PEEM XMCD, toont de antiferromagnetische ordening van het rooster ( a ) Een scanning-elektronenmicroscoopbeeld van de nanomagneetarray met een topologisch defect. (b) De magnetische configuratie, gemeten met PEEM XMCD, toont de antiferromagnetische ordening van het rooster. (Afbeelding: Berkeley Lab) Bij ALS Beamline 11.0.1.1 werd foto-emissie-elektronenmicroscopie (PEEM) met x-ray magnetisch circulair dichroïsme (XMCD) gebruikt om de magnetische configuratie in beeld te brengen. De resultaten toonden aan dat de nanomagneten antiferromagnetisch ordenen, waarbij de magnetisatierichting op aangrenzende nanomagneten afwisselt. Om te onderzoeken wat OAM-stralen kunnen onthullen over het antiferromagnetische rooster, werden RXS-experimenten uitgevoerd met circulair gepolariseerd licht bij ALS Beamline 7.0.1.1 (COSMIC Scattering). Verstrooiing van de nanomagneten creëerde bundels met zowel positieve als negatieve OAM-heliciteiten, en circulair dichroïsme werd gebruikt om bundels met tegengestelde heliciteit op verschillende antiferromagnetische pieken te vergelijken.

Helicity-afhankelijke verstrooiing

De onderzoekers ontdekten dat het circulaire dichroïsme een duidelijk patroon heeft, dat omgekeerd is voor stralen met tegengestelde heliciteit. Bovendien vormt het antiferromagnetische rooster zich in een van de twee gedegenereerde grondtoestanden, en het heliciteitsafhankelijke circulaire dichroïsme kan worden gebruikt om ze van elkaar te onderscheiden. Cirkelvormige opstelling van zes rood/blauwe diffractiepatronen, met drie rode vlekken bovenop blauwe vlekken en drie blauwe vlekken bovenop rode vlekken. In het midden staan ​​de woorden 'Thermal cycling' Veranderen van de antiferromagnetische grondtoestand. Bij verhitting tot 380 K en weer afgekoeld tot kamertemperatuur, vormt zich willekeurig een van de twee antiferromagnetische grondtoestanden. Hier wordt het dichroïsme bij kamertemperatuur weergegeven voor elk van de zes thermische cycli. (Afbeelding: Berkeley Lab) Aangezien de twee grondtoestanden gedegenereerd zijn, zouden ze zich met dezelfde waarschijnlijkheid moeten vormen als de antiferromagneet wordt verwarmd en teruggebracht tot kamertemperatuur. Om dit te testen, werd de nanomagneetreeks herhaaldelijk verwarmd tot 380 K en afgekoeld. Bij kamertemperatuur verschenen beide configuraties met ongeveer gelijke waarschijnlijkheid, zoals verwacht voor willekeurig thermisch schakelen tussen twee gedegenereerde grondtoestanden. Dit is een van de eerste experimenten die laten zien hoe de heliciteit van licht kan worden gebruikt om magnetisme te bestuderen. Informatie over de magnetische configuratie van een rooster in de echte ruimte is meestal niet toegankelijk in dergelijke experimenten, dus dit werk demonstreert het potentieel van OAM-stralen voor het verkrijgen van informatie die verder gaat dan wat normaal wordt verkregen in andere experimenten. Veelbelovende mogelijkheden voor de toekomst zijn onder meer het gebruik van OAM-stralen in resonantiediffractiestudies van traditionele antiferromagneten, in nanodiffractiestudies van domeinmuren en defecten, en, als een OAM-straal kan worden gebruikt om specifieke spin-subroosters te meten, voor het direct meten van spinstromen.

Tijdstempel:

Meer van Nanowerk