Spiralstråler skiller antiferromagnetiske tilstander

Spiralstråler skiller antiferromagnetiske tilstander

Tidsstempel: 29. april 2023 4:12
Kilde node: 2617006
29. april 2023 (Nanowerk Nyheter) Ved å bruke spiralformede røntgenstråler generert ved Advanced Light Source (ALS), differensierte forskere mellom energisk ekvivalente ("degenererte") tilstander i et antiferromagnetisk gitter (Fysisk gjennomgang B, "Antiferromagnetisk reell romkonfigurasjon undersøkt av dikroisme i spredte røntgenstråler med orbital vinkelmomentum"). Arbeidet viser potensialet til disse bjelkene til å sondere egenskaper som ellers ville vært utilgjengelige, for bedre å forstå fenomener av fundamental interesse og for applikasjoner som f.eks. spintronikk. (a) Skjematisk av eksperimentet, som viser nanomagnetgitter med defekt, OAM-stråler med motsatte helisiteter og et prøvediffraksjonsmønster. (b) Diffraksjonsmønster med sirkulære dikroismeeffekter indikert med rødt og blått (a) I dette eksperimentet ble sirkulært polariserte røntgenstråler spredt av en antiferromagnet-array med en gitterdefekt, og produserte spiralstråler med orbital vinkelmomentum (OAM) med både positiv og negativ helicitet. (b) De resulterende diffraksjonsmønstrene varierer avhengig av polarisasjonen og helisiteten til strålen (en effekt kjent som dikroisme). Toppene med en diffraksjonsrekkefølge (H) på +1 og -1 har henholdsvis positiv og negativ helicitet (ℓ). Hver topp har halv positiv (rød) og halv negativ (blå) sirkulær dikroisme, med mønsteret invertert for motsatte helisiteter. (Bilde: Berkeley Lab)

Røntgenstråler med en vri

Røntgeneksperimenter er et viktig verktøy for å forstå de elektroniske og magnetiske egenskapene til materialer. Polarisasjonen (dvs. retningen til det oscillerende elektromagnetiske feltet) av røntgenstråler brukes ofte til å undersøke anisotropi eller kiralitet. En egenskap ved røntgenstråler som ennå ikke har blitt brukt i eksperimenter er deres orbitale vinkelmoment (OAM). Røntgen med OAM har en asimutalt varierende fase, som betyr at fasen vrir seg ettersom røntgenstrålene forplanter seg. Dette fører til en gradient i det elektromagnetiske feltet, som kan føre til at de vridde fotonene har ulik interaksjon med materialer. Røntgenstråler med OAM har en helicitet ℓ = ±1, som tilsvarer om fasen vrir seg med eller mot klokken. I likhet med hvordan polarisering brukes i eksperimenter, kan OAM brukes til å undersøke kiralitet og magnetisme, og potensielt mer eksotiske egenskaper som topologi. Det kan også forbedre oppløsningen av røntgenbilder og mikroskopiteknikker. I dette arbeidet viste forskere hvordan helisitetsavhengige effekter i resonant røntgenspredning (RXS) kan brukes til å undersøke den magnetiske konfigurasjonen til et gitter.

Skaper vridd lys

En måte å lage røntgenstråler med OAM på er ved spredning fra en topologisk defekt. Her ble et firkantet gitter av permalloy nanomagneter syntetisert på et silisiumsubstrat. To ekstra nanomagneter ble satt inn i midten for å skape en topologisk kantdefekt. (a) Et skanningselektronmikroskopbilde av nanomagnetarrayen med en topologisk defekt. (b) Den magnetiske konfigurasjonen, målt ved bruk av PEEM XMCD, viser den antiferromagnetiske rekkefølgen til gitteret (a) Et skanningselektronmikroskopbilde av nanomagnetarrayen med en topologisk defekt. (b) Den magnetiske konfigurasjonen, målt ved bruk av PEEM XMCD, viser den antiferromagnetiske rekkefølgen til gitteret. (Bilde: Berkeley Lab) Ved ALS Beamline 11.0.1.1 ble fotoemisjonselektronmikroskopi (PEEM) med røntgenmagnetisk sirkulær dikroisme (XMCD) brukt for å avbilde den magnetiske konfigurasjonen. Resultatene viste at nanomagnetene ordner antiferromagnetisk, der magnetiseringsretningen veksler på tilstøtende nanomagneter. For å undersøke hva OAM-stråler kan avsløre om det antiferromagnetiske gitteret, ble RXS-eksperimenter utført med sirkulært polarisert lys ved ALS Beamline 7.0.1.1 (COSMIC Scattering). Spredning fra nanomagnetene skapte stråler med både positive og negative OAM-helisiteter, og sirkulær dikroisme ble brukt for å sammenligne stråler med motsatt helicitet ved distinkte antiferromagnetiske topper.

Helisitetsavhengig spredning

Forskerne fant at den sirkulære dikroismen har et distinkt mønster, som er invertert for stråler med motsatt helicitet. Videre dannes det antiferromagnetiske gitteret i en av to degenererte grunntilstander, og den helicitetsavhengige sirkulære dikroismen kan brukes til å skille mellom dem. Sirkulært arrangement av seks røde/blå diffraksjonsmønstre, med tre som viser røde flekker på toppen av blå flekker, og tre viser blå flekker på toppen av røde flekker. I midten står ordene 'Thermal cycling' Endring av den antiferromagnetiske grunntilstanden. Når den varmes opp til 380 K og avkjøles tilbake til romtemperatur, dannes en av to antiferromagnetiske grunntilstander tilfeldig. Her vises romtemperaturdikroismen for hver av seks termiske sykluser. (Bilde: Berkeley Lab) Siden de to grunntilstandene er degenererte, bør de dannes med like stor sannsynlighet hvis antiferromagneten varmes opp og returneres til romtemperatur. For å teste dette ble nanomagnet-arrayen gjentatte ganger oppvarmet til 380 K og avkjølt. Ved romtemperatur dukket begge konfigurasjonene opp med omtrent lik sannsynlighet, som forventet for tilfeldig termisk veksling mellom to degenererte grunntilstander. Dette er et av de første eksperimentene som viser hvordan lysets helicitet kan brukes til å studere magnetisme. Informasjon om den virkelige rommagnetiske konfigurasjonen til et gitter er vanligvis utilgjengelig i slike eksperimenter, så dette arbeidet demonstrerer potensialet til OAM-stråler for å få informasjon utover det som vanligvis oppnås i andre eksperimenter. Lovende fremtidige veier inkluderer bruk av OAM-stråler i resonansdiffraksjonsstudier av tradisjonelle antiferromagneter, i nanodiffraksjonsstudier av domenevegger og defekter, og, hvis en OAM-stråle kan brukes til å måle spesifikke spinnundergitter, for direkte måling av spinnstrømmer.

Tidstempel:

Mer fra Nanowerk