Блог

May 04, 2023

Раскрытие секретных наноструктур магнитных материалов с помощью правильного освещения

Макс Борн Институт нелинейной оптики и спектроскопии коротких импульсов (MBI)Май

Автор: Институт нелинейной оптики и спектроскопии коротких импульсов Макса Борна (MBI), 26 мая 2023 г.

Впечатление художника об эксперименте XMCD. Мягкое рентгеновское излучение источника плазмы сначала поляризуется по кругу при прохождении через магнитную пленку. Впоследствии намагниченность реального образца может быть точно определена. Кредит: Кристиан Чшашель

Исследователи из Института Макса Борна в Берлине впервые успешно провели эксперименты по рентгеновскому магнитному круговому дихроизму (XMCD) в лазерной лаборатории.

Чтобы раскрыть секреты магнитных материалов, необходимо правильное освещение. Магнитно-рентгеновский круговой дихроизм позволяет расшифровывать магнитный порядок в наноструктурах и приписывать его различным слоям или химическим элементам. Исследователям из Института Макса Борна в Берлине удалось реализовать эту уникальную методику измерений в диапазоне мягкого рентгеновского излучения в лазерной лаборатории. Благодаря этому развитию многие технологически важные вопросы теперь могут быть исследованы за пределами крупномасштабных научных учреждений.

Магнитные наноструктуры уже давно вошли в нашу повседневную жизнь, например, в виде быстрых и компактных устройств хранения данных или высокочувствительных датчиков. Большой вклад в понимание многих важных магнитных эффектов и функций вносит специальный метод измерения: рентгеновский магнитный круговой дихроизм (XMCD).

Этот впечатляющий термин описывает фундаментальный эффект взаимодействия света и материи: в ферромагнитном материале существует дисбаланс электронов с определенным угловым моментом, спином. Если пропустить через ферромагнетик свет с круговой поляризацией, который также имеет определенный угловой момент, то можно наблюдать явную разницу в пропускании при параллельном или антипараллельном расположении двух угловых моментов — так называемый дихроизм.

Этот круговой дихроизм магнитного происхождения особенно выражен в области мягкого рентгеновского излучения (энергия световых частиц от 200 до 2000 эВ, что соответствует длине волны всего лишь от 6 до 0,6 нм), при рассмотрении специфичных для элемента краев поглощения перехода. металлы, такие как железо, никель или кобальт, а также редкоземельные элементы, такие как диспрозий или гадолиний. Эти элементы особенно важны для технического применения магнитных эффектов.

Эффект XMCD позволяет точно определять магнитный момент соответствующих элементов даже в скрытых слоях материала, не повреждая систему образца. Если мягкое рентгеновское излучение с круговой поляризацией приходит в виде очень коротких фемто- или пикосекундных (пс) импульсов, даже сверхбыстрые процессы намагничивания можно отслеживать в соответствующем временном масштабе. До сих пор доступ к необходимому рентгеновскому излучению был возможен только на научных крупномасштабных установках, таких как источники синхротронного излучения или лазеры на свободных электронах (ЛСЭ), и поэтому был сильно ограничен.

Усредненное пропускание через исследуемый образец на краях поглощения Fe L (черные точки) можно точно измерить и хорошо описать с помощью моделирования (черная линия). В двух максимумах поглощения (см. вставки) наблюдается значительный дихроизм для двух разных направлений намагниченности насыщения образца. Пока такие эксперименты были возможны только на крупномасштабных установках. Фото: Институт Макса Борна.

A team of researchers around junior research group leader Daniel Schick at the Max Born Institute (MBI) in Berlin has now succeeded for the first time in realizing XMCD experiments at the absorption L edges of iron at a photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"photon energy of around 700 eV in a laser laboratory./p>

A laser-driven plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"plasma source was used to generate the required soft x-ray light, by focusing very short (2 ps) and intense (200 mJ per pulse) optical laser pulses onto a cylinder of tungsten. The generated plasma thereby emits a lot of light continuously in the relevant spectral range of 200-2000 eV at a pulse duration of smaller than 10 ps. However, due to the stochastic generation process in the plasma, a very important requirement to observe XMCD is not met — the polarization of the soft-x-ray light is not circular, as required, but completely random, similar to that of a light bulb./p>