Ultraszybkie świecenie magnetyczne w tlenkach metali

Upton, NY – Co się dzieje, gdy bardzo krótkie impulsy światła laserowego uderzają w materiał magnetyczny? Ważna międzynarodowa współpraca prowadzona przez Brookhaven National Laboratory przy Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych zaczęła odpowiadać na to pytanie. Jak właśnie donieśli w Proceedings of the National Academy of Sciences, laser wyłączył porządkowanie magnetyczne w całym materiale na kilka pikosekund, czyli bilionowych części sekundy. Zrozumienie, jak zmieniają się korelacje magnetyczne w ultraszybkich skalach czasowych, jest pierwszym krokiem do kontrolowania magnetyzmu w sposób zorientowany na zastosowanie. Na przykład przy takiej kontroli możemy być w stanie szybciej zapisywać dane na urządzeniach pamięci lub zwiększyć nadprzewodnictwo (zjawisko, w którym materia przewodzi elektryczność bez utraty energii), która często konkuruje z innymi stanami, takimi jak magnetyzm.

Badanym materiałem był tlenek strontu irydu (Sr3Ir2O7), który jest antymagnesem o dwuwarstwowej strukturze krystalicznej i dużej anizotropii magnetycznej. W antyferromagnetykach momenty magnetyczne lub spiny elektronów układają się w przeciwnych kierunkach z sąsiednimi spinami. Anizotropia oznacza, że ​​spiny muszą zapłacić aktywny koszt, aby obrócić się w dowolnym losowym kierunku; Naprawdę chcą siedzieć twarzą w górę lub w dół w strukturze kryształu. Grupa zajmująca się rozpraszaniem promieniowania rentgenowskiego z Department of Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) w Brookhaven Laboratory wcześniej badała ten materiał (i jego siostrzany związek jednowarstwowy, Sr2IrO4), więc przystąpili do badania z dobrym zrozumieniem jego stanu równowagi .

„Bardzo krótkie impulsy laserowe zakłócają system, niszcząc jego system magnetyczny” – powiedział pierwszy autor, Daniel Mazon, były członek grupy i naukowiec zajmujący się instrumentami w Continuous Multiple Angle Spectrometry (CAMEA) w Instytucie Paula Scherera w Szwajcarii. „W tym badaniu byliśmy zainteresowani obserwowaniem, jak system relaksuje się z powrotem do swojego normalnego stanu. Wiedzieliśmy, że relaksacja zachodzi w bardzo szybkiej skali czasowej i aby zrobić zdjęcie czegoś poruszającego się bardzo szybko, potrzebujemy bardzo krótkich impulsów świetlnych. Używając elektroniczne źródło laserowe wolne od promieniowania rentgenowskiego, możemy generować impulsy wystarczająco krótkie, aby zobaczyć ruch atomów i cząsteczek.Takie źródła znajdują się tylko w pięciu miejscach na świecie – w Stanach Zjednoczonych, Japonii, Korei, Niemczech i Szwajcarii. „

W ramach tego badania zespół przeprowadził eksperymenty w dwóch z pięciu obiektów. W SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser (SACLA) w Japonii wykonali elastyczne rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego w funkcji czasu (tr-REXS). W narzędziu kontrolnym pompy rentgenowskiej Linac Coherent Light Source — w Instytucie Użytkownika Biura Nauki Departamentu Energii w Krajowym Akceleratorze Laboratoryjnym SLAC — naukowcy przeprowadzili rezonansowe nieelastyczne rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego w czasie z rozdzielczością czasową (tr-RIXS). W obu technikach rozpraszania promieniowanie rentgenowskie (sonda) uderza w materiał niemal natychmiast po impulsie laserowym (pompie). Mierząc energię i kąt rozproszonych cząstek światła (fotonów), naukowcy mogą określić skład elektroniczny materiału, a tym samym skład magnetyczny. W tym przypadku energia promieniowania rentgenowskiego jest dostrojona tak, aby była wrażliwa na elektrony wokół atomów irydu, które napędzają magnetyzm tego materiału. Podczas gdy tr-REXS może wykryć stopień uporządkowania magnetycznego dalekiego zasięgu, tr-RIXS może zapewnić obraz lokalnych interakcji magnetycznych.

„Aby zaobserwować szczegółowe zachowanie spinu, musimy z dużą dokładnością zmierzyć zmianę energii w promieniach rentgenowskich” – wyjaśnia współautor Mark Dean, fizyk z grupy rozpraszania promieniowania rentgenowskiego w dziale CMPMS. „W tym celu zbudowaliśmy i zainstalowaliśmy w SLAC zmotoryzowany spektrometr rentgenowski”.

Ich dane ujawniły, w jaki sposób oddziaływania magnetyczne są tłumione nie tylko lokalnie, ale wszechobecnie. To pikosekundowe tłumienie trwa, zanim system magnetyczny powróci do swojego początkowego stanu antymagnetycznego.

„System dwuwarstwowy nie posiada skutecznych, tanich metod zniekształcania stanu magnetycznego” – wyjaśnił Dean. „Utknął w tym wąskim gardle, w którym magnetyzm jest poza równowagą i nie odzyskuje, przynajmniej nie tak szybko, jak w systemie jednowarstwowym”.

„W przypadku większości zastosowań, takich jak przechowywanie danych, potrzebujesz szybkiej transformacji magnetycznej” – dodał Mazzone. „Nasze badania sugerują systemy, w których obrót może wskazywać, który kierunek jest najlepszy do manipulowania magnetyzmem”.

Następnie zespół planuje przyjrzeć się powiązanym materiałom i ma nadzieję manipulować magnetyzmem w bardziej ukierunkowany sposób — na przykład zmieniając intensywność „komunikacji” między dwoma sąsiednimi spinami.

„Gdybyśmy mogli zmienić odległość między dwoma okrążeniami i zobaczyć, jak wpływa to na ich interakcję, byłoby naprawdę fajnie” – powiedział Mazzoni. „Dzięki zrozumieniu, jak ewoluuje magnetyzm, możemy go modyfikować i prawdopodobnie generować nowe stany”.