Spiralstrålar differentierar antiferromagnetiska tillstånd

Spiralstrålar differentierar antiferromagnetiska tillstånd

Tidsstämpel: 29 april 2023 4:12
Källnod: 2617006
29 april 2023 (Nanowerk Nyheter) Med hjälp av spiralformade röntgenstrålar genererade vid Advanced Light Source (ALS), skilde forskare mellan energimässigt ekvivalenta ("degenererade") tillstånd i ett antiferromagnetiskt gitter (Fysisk granskning B, "Antiferromagnetisk real-rymdkonfiguration undersökt av dikroism i spridda röntgenstrålar med orbital vinkelmomentum"). Arbetet visar potentialen hos dessa strålar att sondera egenskaper som annars skulle vara otillgängliga, för att bättre förstå fenomen av fundamentalt intresse och för tillämpningar som t.ex. spintronik. (a) Schematisk experiment, som visar nanomagnetgitter med defekt, OAM-strålar med motsatta heliciteter och ett provdiffraktionsmönster. (b) Diffraktionsmönster med cirkulära dikroismeffekter indikerade med rött och blått (a) I detta experiment spreds cirkulärt polariserade röntgenstrålar av en antiferromagnet-array med en gitterdefekt, vilket producerade spiralstrålar med orbital vinkelmomentum (OAM) av både positiv och negativ helicitet. (b) De resulterande diffraktionsmönstren skiljer sig beroende på strålens polarisation och helicitet (en effekt som kallas dikroism). Topparna med en diffraktionsordning (H) på +1 och -1 har positiv och negativ helicitet (ℓ), respektive. Varje topp har hälften positiv (röd) och hälften negativ (blå) cirkulär dikroism, med mönstret inverterat för motsatta heliciteter. (Bild: Berkeley Lab)

Röntgenstrålar med en vridning

Röntgenexperiment är ett viktigt verktyg för att förstå materials elektroniska och magnetiska egenskaper. Polariseringen (dvs riktningen för det oscillerande elektromagnetiska fältet) av röntgenstrålar används ofta för att undersöka anisotropi eller kiralitet. En egenskap hos röntgenstrålar som ännu inte har utnyttjats i experiment är deras orbitala vinkelmoment (OAM). Röntgenstrålar med OAM har en azimutalt varierande fas, vilket innebär att fasen vrids när röntgenstrålarna fortplantar sig. Detta leder till en gradient i det elektromagnetiska fältet, vilket kan göra att de vridna fotonerna har olika interaktioner med material. Röntgenstrålar med OAM har en helicitet ℓ = ±1, vilket motsvarar om fasen vrider sig medurs eller moturs. I likhet med hur polarisering används i experiment, kan OAM användas för att undersöka kiralitet och magnetism, och potentiellt mer exotiska egenskaper som topologi. Det kan också förbättra upplösningen av röntgenbilder och mikroskopitekniker. I detta arbete visade forskare hur helicitetsberoende effekter i resonant röntgenspridning (RXS) kan användas för att undersöka den magnetiska konfigurationen av ett gitter.

Skapar vridet ljus

Ett sätt att skapa röntgenstrålar med OAM är genom spridning från en topologisk defekt. Här syntetiserades ett kvadratiskt gitter av permalloy nanomagneter på ett kiselsubstrat. Två extra nanomagneter sattes in i mitten för att skapa en topologisk kantdefekt. (a) En svepelektronmikroskopbild av nanomagnetmatrisen med en topologisk defekt. (b) Den magnetiska konfigurationen, mätt med PEEM XMCD, visar den antiferromagnetiska ordningen av gittret (a) En svepelektronmikroskopbild av nanomagnetmatrisen med en topologisk defekt. (b) Den magnetiska konfigurationen, mätt med PEEM XMCD, visar den antiferromagnetiska ordningen av gittret. (Bild: Berkeley Lab) Vid ALS Beamline 11.0.1.1 användes fotoemissionselektronmikroskopi (PEEM) med röntgenmagnetisk cirkulär dikroism (XMCD) för att avbilda den magnetiska konfigurationen. Resultaten visade att nanomagneterna ordnar antiferromagnetiskt, där magnetiseringsriktningen växlar på intilliggande nanomagneter. För att undersöka vad OAM-strålar kan avslöja om det antiferromagnetiska gittret, utfördes RXS-experiment med cirkulärt polariserat ljus vid ALS Beamline 7.0.1.1 (COSMIC Scattering). Spridning från nanomagneterna skapade strålar med både positiva och negativa OAM-heliciteter, och cirkulär dikroism användes för att jämföra strålar med motsatt helicitet vid distinkta antiferromagnetiska toppar.

Helicitetsberoende spridning

Forskarna fann att den cirkulära dikroismen har ett distinkt mönster, som är inverterat för strålar med motsatt helicitet. Dessutom bildas det antiferromagnetiska gittret i ett av två degenererade grundtillstånd, och den helicitetsberoende cirkulära dikroismen kan användas för att skilja mellan dem. Cirkulärt arrangemang av sex röda/blåa diffraktionsmönster, där tre visar röda fläckar ovanpå blå fläckar och tre visar blå fläckar ovanpå röda fläckar. I mitten står orden "Thermal cycling" Ändra det antiferromagnetiska jordtillståndet. När den värms upp till 380 K och kyls tillbaka till rumstemperatur, bildas ett av två antiferromagnetiska jordtillstånd slumpmässigt. Här visas rumstemperaturdikroismen för var och en av sex termiska cykler. (Bild: Berkeley Lab) Eftersom de två grundtillstånden är degenererade bör de bildas med lika stor sannolikhet om antiferromagneten värms upp och återgår till rumstemperatur. För att testa detta värmdes nanomagnet-arrayen upprepade gånger till 380 K och kyldes. Vid rumstemperatur uppträdde båda konfigurationerna med ungefär lika stor sannolikhet, som förväntat för slumpmässig termisk växling mellan två degenererade marktillstånd. Detta är ett av de första experimenten som visar hur ljusets helicitet kan användas för att studera magnetism. Information om den verkliga magnetiska konfigurationen av ett gitter är vanligtvis otillgänglig i sådana experiment, så detta arbete visar potentialen hos OAM-strålar för att få information utöver vad som vanligtvis erhålls i andra experiment. Lovande framtida vägar inkluderar användning av OAM-strålar i resonansdiffraktionsstudier av traditionella antiferromagneter, i nanodiffraktionsstudier av domänväggar och defekter, och, om en OAM-stråle kan användas för att mäta specifika spinnsubgitter, för direkt mätning av spinnströmmar.

Tidsstämpel:

Mer från Nanoverk