Een nieuwe manier om de krachtige röntgenlaser in het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy te bedienen, heeft onderzoekers in staat gesteld fluctuaties in magnetische structuren te detecteren en te meten die worden overwogen voor nieuwe gegevensopslag- en computertechnologieën.

In een eerder deze maand gepubliceerd artikel in Fysieke beoordelingsbrieven , een team onder leiding van Joshua Turner, SLAC stafwetenschapper, en Sujoy Roy, stafwetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), rapporteerde het meten van de fluctuaties in deze structuren, magnetische skyrmionen genoemd, met een resolutie van een miljardste van een seconde, 1, 000 keer beter dan voorheen mogelijk was.

Fluctuerende spintexturen vangen

Skyrmionen zijn multi-atom vortex spin-texturen waarin de spin-oriëntaties van de atomen veranderen van de ene richting in het midden naar de tegenovergestelde richting aan de omtrek. Ze bewegen gemakkelijk als reactie op elektrische velden, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor gebruik in technologieën voor gegevensopslag, shift-registergeheugens en geavanceerde computertechnologieën.

De ladings- en spinaspecten van atomen zijn niet star. Ze reageren op een groot aantal krachten met trillingen en andere bewegingen – gezamenlijk fluctuaties genoemd – waarvan sommige zelfs de beweging van de atomen zelf beïnvloeden. Theoretici hebben onlangs voorgesteld dat fluctuaties een sleutelrol kunnen spelen bij het bepalen hoe complexe materialen zich gedragen, zoals bij het fenomeen van supergeleiding bij hoge temperatuur.

Tot nu, echter, er was geen manier om skyrmion-fluctuaties in de dunne-filmstructuren die nodig zijn voor technologische toepassingen te analyseren. Dit nieuwe resultaat werd mogelijk gemaakt door een recent ontwikkelde "twee-emmer"-modus voor het creëren van paren röntgenpulsen bij SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) vrije-elektronenlaser waarmee onderzoekers evenwichtsverschijnselen kunnen bestuderen die plaatsvinden in tijdsperioden voor het eerst minder dan een miljardste van een seconde lang.

Terwijl individuele LCLS-pulsen gewoonlijk worden gescheiden door ongeveer 8 duizendste van een seconde, de techniek met twee emmers creëert pulsparen die tot een derde van een miljardste van een seconde uit elkaar kunnen liggen. Toen hij twee jaar geleden hoorde van de modus met twee emmers, Turner wist meteen dat het nuttig moest zijn voor het meten van fluctuaties in magnetische systemen, zoals skyrmions.

"Vóór deze studie, wetenschappers hebben LCLS gebruikt om niet-evenwichtsfysica op nog snellere tijdschalen te bestuderen, Turner legde uit. "De nieuwe techniek opent de deur naar een hele categorie experimenten die nu in evenwicht kunnen worden uitgevoerd met röntgenvrije elektronenlasers."

Per toeval, Roy, een oude vriend van Turner, zachte röntgenstralen had gebruikt bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) om skyrmionen en hun fluctuaties te onderzoeken, meest recentelijk in een ijzer-gadolinium gelaagd materiaal gekweekt door UC-San Diego professor Eric Fullerton. De twee kwamen snel overeen om LCLS te gebruiken om te zien of ze, in samenwerking met Fullerton, kon snelle skyrmion-fluctuaties zien met hetzelfde monster.

Röntgenstralen gebruiken om magnetische veranderingen op te sporen

Het detectieproces dat wordt gebruikt om de fluctuaties te bekijken, wordt röntgenfotoncorrelatiespectroscopie genoemd. Het schijnen van een ultrakorte puls van coherente röntgenstralen op het monster produceert een spikkelinterferentiepatroon dat de magnetische kenmerken van het monster vertegenwoordigt. Snel opvolgen met een tweede puls voegt een tweede spikkelpatroon toe bovenop de eerste op dezelfde detector. Eventuele fluctuaties zullen ervoor zorgen dat het tweede patroon anders is, dus de mate van wazigheid in het gecombineerde beeld geeft de omvang van de fluctuaties in het monster aan.

"Deze techniek is vergelijkbaar met het meten van het fonkelen van sterren om details van turbulentie in de atmosfeer van de aarde op te helderen, zei Turner. In dit geval, het doel van het meten van het 'twinkelen' van de gedetecteerde röntgenstralen is begrijpen hoe de magnetische structuur van het materiaal fluctueert en hoe dit de eigenschappen van het materiaal beïnvloedt."

Een van de vele uitdagingen bij het maken van deze metingen was het verminderen van de intensiteit van de röntgenpulsen van LCLS, zodat ze geen eigen fluctuaties in het monster zouden creëren. Verschillende technieken verminderden uiteindelijk de flux van röntgenstralen die het monster raken tot een miljoenste van de oorspronkelijke pulsenergie.

"We willen gewoon het monster kietelen, Turner zei. "Het staat ver af van het typische LCLS 'pomp-sonde'-experiment, waar de intense röntgenpulsen kunnen, met opzet, aanpassen, of zelfs de monsters wegblazen."

Het ontwikkelen van manieren om de röntgenintensiteit van de pulsen van elk paar en hun tijdsintervallen te meten en om zo weinig fotonen in de spikkelpatronen te detecteren, was ook erg moeilijk, voegde Matt Seaberg toe, SLAC associate staff scientist en eerste auteur van het artikel. De onderzoekers pasten de tijd tussen de pulsen van elk paar aan van een fractie van een nanoseconde tot 25 nanoseconden (een nanoseconde is een miljardste van een seconde) en stemden ook een extern magnetisch veld af om een ​​reeks magnetische omstandigheden in het monster te overspannen.

"Dit is een compleet nieuwe manier om dit soort metingen te doen, "Zei Roy. "De tijdsresolutie wordt beperkt door de tijd die de twee pulsen scheidt die het gaspedaal produceert."

Toen ze het externe magnetische veld afstemden om het meest ideaal te zijn voor skyrmionen in het monster, ze zagen dat er fluctuaties optraden met een periode van ongeveer 4 nanoseconden. Maar toen het magnetische veld enigszins werd verminderd tot waar de cirkelvormige skyrmion-structuren plaats beginnen te maken voor een andere fase met gestreepte magnetische domeinstructuren, de fluctuatieperiode kelderde tot slechts een fractie van een nanoseconde.

"Dit resultaat geeft aan dat de fluctuaties groter en sneller zijn nabij de grens van de skyrmion- en stripe-fasen, " zei Joshua Turner. "Deze informatie is belangrijk bij het ontcijferen van de rol die magnetische fluctuaties spelen als het materiaal van de ene fase naar de andere transformeert. Het zal ons ook in staat stellen om verbinding te maken met theoretische modellen die worden gebruikt om te begrijpen hoe fluctuaties faseovergangen in een groot aantal magnetische en magnetische vaste stoffen bevorderen."

De collegiale cultuur bij SLAC speelde een grote rol in het succes van dit onderzoek, voegde Turner eraan toe. De wetenschappers werkten nauw samen met versnellerfysici Jim Turner en Franz-Josef Decker, die de twee-emmer-techniek bedacht.

"Dit kwam allemaal tot stand vanwege de nauwe werkrelatie tussen de LCLS-fysici aan de röntgenkant samen met die aan de versnellerfysica, " zei hij. "Soms is het niet duidelijk hoe we hun verbazingwekkende ontwikkelingen kunnen gebruiken. Maar door samen te werken was dit een zeer vruchtbare onderneming."

Hetzelfde team blijft dezelfde technieken gebruiken om het materiaal van Fullerton in meer detail te onderzoeken, en toekomstige werkzaamheden die voor deze winter zijn gepland, zullen andere magnetisch complexe materialen onderzoeken, zoals spin-ijs en hoge-temperatuur-supergeleiders.