Desvendando as nanoestruturas secretas de materiais magnéticos com a iluminação certa

Por Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) 26 de maio de 2023

Impressão artística do experimento XMCD. A luz de raios X suaves de uma fonte de plasma é primeiro polarizada circularmente pela transmissão através de um filme magnético. Posteriormente, a magnetização na amostra real pode ser determinada com precisão. Crédito: Christian Tzschaschel

Pesquisadores do Max Born Institute, em Berlim, realizaram com sucesso pela primeira vez experimentos de Dicroísmo Circular Magnético de Raios-X (XMCD) em um laboratório de laser.

Desvendar os segredos dos materiais magnéticos requer a iluminação certa. O dicroísmo circular magnético de raios X permite decodificar a ordem magnética em nanoestruturas e atribuí-la a diferentes camadas ou elementos químicos. Pesquisadores do Max Born Institute, em Berlim, conseguiram implementar essa técnica de medição exclusiva na faixa de raios-x suaves em um laboratório a laser. Com esse desenvolvimento, muitas questões tecnologicamente relevantes podem agora ser investigadas fora das instalações científicas de larga escala pela primeira vez.

As nanoestruturas magnéticas fazem parte de nossa vida cotidiana há muito tempo, por exemplo, na forma de dispositivos de armazenamento de dados rápidos e compactos ou sensores altamente sensíveis. Uma contribuição importante para a compreensão de muitos dos efeitos e funcionalidades magnéticas relevantes é feita por um método de medição especial: Dicroísmo Circular Magnético de Raios-X (XMCD).

Esse termo impressionante descreve um efeito fundamental da interação entre a luz e a matéria: em um material ferromagnético, há um desequilíbrio de elétrons com um determinado momento angular, o spin. Se alguém emite luz polarizada circularmente, que também tem um momento angular definido, através de um ferroímã, uma clara diferença na transmissão para um alinhamento paralelo ou antiparalelo dos dois momentos angulares é observável - o chamado dicroísmo.

Este dicroísmo circular de origem magnética é particularmente pronunciado na região dos raios X suaves (energia de 200 a 2000 eV das partículas de luz, correspondendo a um comprimento de onda de apenas 6 a 0,6 nm), ao considerar as bordas de absorção específicas do elemento de transição metais, como ferro, níquel ou cobalto, bem como terras raras, como disprósio ou gadolínio. Esses elementos são particularmente importantes para a aplicação técnica de efeitos magnéticos.

O efeito XMCD permite determinar com precisão o momento magnético dos respectivos elementos, mesmo em camadas enterradas em um material e sem danificar o sistema de amostra. Se a radiação de raios X suaves circularmente polarizada vier em pulsos muito curtos de femto a picossegundos (ps), mesmo os processos de magnetização ultrarrápida podem ser monitorados na escala de tempo relevante. Até agora, o acesso à radiação de raios X necessária só foi possível em instalações científicas de grande escala, como fontes de radiação síncrotron ou lasers de elétrons livres (FELs), e, portanto, foi fortemente limitado.

A transmissão média através da amostra investigada nas bordas de absorção Fe L (pontos de dados pretos) pode ser medida com precisão e é bem descrita por uma simulação (linha preta). Nos dois máximos de absorção, ver inserções, dicroísmo significativo para as duas direções diferentes de magnetização de saturação da amostra é observável. Até agora, tais experimentos só foram possíveis em instalações de grande escala. Crédito: Instituto 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>