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May 04, 2023

Sbloccare le nanostrutture segrete dei materiali magnetici con la giusta illuminazione

By Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI)May

Di Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI)26 maggio 2023

Rappresentazione artistica dell'esperimento XMCD. La luce dei raggi X molli proveniente da una sorgente di plasma viene prima polarizzata circolarmente mediante la trasmissione attraverso una pellicola magnetica. Successivamente, la magnetizzazione nel campione reale può essere determinata con precisione. Credito: Christian Tzschaschel

I ricercatori del Max Born Institute di Berlino hanno eseguito con successo per la prima volta esperimenti di dicroismo circolare magnetico a raggi X (XMCD) in un laboratorio laser.

Svelare i segreti dei materiali magnetici richiede la giusta illuminazione. Il dicroismo circolare magnetico dei raggi X consente di decodificare l'ordine magnetico nelle nanostrutture e di assegnarlo a diversi strati o elementi chimici. I ricercatori dell'Istituto Max Born di Berlino sono riusciti a implementare questa tecnica di misurazione unica nel campo dei raggi X molli in un laboratorio laser. Con questo sviluppo, molte questioni tecnologicamente rilevanti possono ora essere studiate per la prima volta al di fuori delle strutture scientifiche su larga scala.

Le nanostrutture magnetiche fanno parte ormai da tempo della nostra vita quotidiana, ad esempio sotto forma di dispositivi di memorizzazione dati veloci e compatti o di sensori altamente sensibili. Un importante contributo alla comprensione di molti degli effetti e delle funzionalità magnetiche rilevanti viene fornito da uno speciale metodo di misurazione: il dicroismo circolare magnetico a raggi X (XMCD).

Questo termine impressionante descrive un effetto fondamentale dell'interazione tra luce e materia: in un materiale ferromagnetico si verifica uno squilibrio di elettroni con un determinato momento angolare, lo spin. Se si irradia luce polarizzata circolarmente, che ha anche un momento angolare definito, attraverso un ferromagnete, si osserva una chiara differenza nella trasmissione per un allineamento parallelo o antiparallelo dei due momenti angolari: il cosiddetto dicroismo.

Questo dicroismo circolare di origine magnetica è particolarmente pronunciato nella regione dei raggi X molli (energia delle particelle di luce da 200 a 2000 eV, corrispondente a una lunghezza d'onda di soli 6-0,6 nm), se si considerano i bordi di transizione di assorbimento specifici dell'elemento metalli, come ferro, nichel o cobalto, nonché terre rare, come disprosio o gadolinio. Questi elementi sono particolarmente importanti per l'applicazione tecnica degli effetti magnetici.

L'effetto XMCD consente di determinare con precisione il momento magnetico dei rispettivi elementi, anche negli strati sepolti in un materiale e senza danneggiare il sistema di campionamento. Se la radiazione di raggi X molli polarizzata circolarmente arriva in impulsi molto brevi da femto a picosecondi (ps), anche i processi di magnetizzazione ultraveloci possono essere monitorati sulla scala temporale pertinente. Finora l’accesso alla necessaria radiazione di raggi X era possibile solo presso impianti scientifici su larga scala, come sorgenti di radiazione di sincrotrone o laser a elettroni liberi (FEL), ed era quindi fortemente limitato.

La trasmissione media attraverso il campione analizzato ai bordi di assorbimento del Fe L (punti dati neri) può essere misurata con precisione ed è ben descritta da una simulazione (linea nera). Ai due massimi di assorbimento, vedere inserti, è osservabile un dicroismo significativo per le due diverse direzioni di magnetizzazione di saturazione del campione. Finora tali esperimenti sono stati possibili solo in strutture su larga scala. Credito: Istituto Max Born

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>