Het onderzoeken van magnetische materialen met extreem ultraviolette straling maakt het mogelijk om een ​​gedetailleerd microscopisch beeld te krijgen van hoe magnetische systemen interageren met licht - de snelste manier om een ​​magnetisch materiaal te manipuleren. Een team van onderzoekers onder leiding van het Max Born Institute heeft nu de experimentele en theoretische basis geleverd om dergelijke spectroscopische signalen te interpreteren. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

De studie van de interactie tussen licht en materie is een van de krachtigste manieren om natuurkundigen te helpen de microscopische wereld te begrijpen. Bij magnetische materialen, een schat aan informatie kan worden verkregen door optische spectroscopie, waarbij de energie van de individuele lichtdeeltjes - fotonen - elektronen in de binnenste schil naar hogere energieën bevordert. Dit komt omdat een dergelijke benadering het mogelijk maakt om de magnetische eigenschappen voor de verschillende soorten atomen in het magnetische materiaal afzonderlijk te verkrijgen en wetenschappers in staat stelt de rol en het samenspel van de verschillende bestanddelen te begrijpen. Deze experimentele techniek, genaamd X-ray magnetisch circulair dichroïsme (XMCD) spectroscopie, is een pionier in de late jaren 1980 en vereist doorgaans een grootschalige faciliteit - een synchrotronstralingsbron of röntgenlaser.

Om te onderzoeken hoe magnetisatie reageert op ultrakorte laserpulsen - de snelste manier om magnetische materialen deterministisch te controleren - zijn de afgelopen jaren kleinschalige laboratoriumbronnen beschikbaar gekomen die ultrakorte pulsen leveren in het extreem ultraviolette (XUV) spectrale bereik. XUV-fotonen, minder energiek zijn, exciteren minder sterk gebonden elektronen in het materiaal, nieuwe uitdagingen voor de interpretatie van de resulterende spectra in termen van de onderliggende magnetisatie in het materiaal.

Een team van onderzoekers van het Max Born Institute in Berlijn heeft samen met onderzoekers van het Max-Planck-Institute for Microstructure Physics in Halle en Uppsala University in Zweden nu een gedetailleerde analyse gegeven van de magneto-optische respons voor XUV-fotonen. Ze combineerden experimenten met ab initio berekeningen, die alleen de soorten atomen en hun rangschikking in het materiaal als invoerinformatie nemen. Voor de prototypische magnetische elementen ijzer, kobalt en nikkel, ze waren in staat om de reactie van deze materialen op XUV-straling in detail te meten. De wetenschappers ontdekken dat de waargenomen signalen niet eenvoudigweg evenredig zijn met het magnetische moment op het betreffende element, en dat deze afwijking in theorie wordt gereproduceerd wanneer rekening wordt gehouden met zogenaamde lokale veldeffecten. Sangeeta Sharma, die de theoretische beschrijving heeft gegeven, legt uit:"Lokale veldeffecten kunnen worden opgevat als een tijdelijke herschikking van elektronische lading in het materiaal, veroorzaakt door het elektrische veld van de XUV-straling die voor het onderzoek is gebruikt. Bij het interpreteren van de spectra moet rekening worden gehouden met de reactie van het systeem op deze verstoring."

Dit nieuwe inzicht maakt het nu mogelijk om signalen van verschillende elementen in één materiaal kwantitatief te ontwarren. "Omdat de meeste functionele magnetische materialen uit verschillende elementen bestaan, dit begrip is cruciaal om dergelijke materialen te bestuderen, vooral als we geïnteresseerd zijn in de meer complexe dynamische respons bij het manipuleren ervan met laserpulsen, " zegt Felix Willems, de eerste auteur van de studie. "Door experiment en theorie te combineren, we zijn nu klaar om te onderzoeken hoe de dynamische microscopische processen kunnen worden gebruikt om een ​​gewenst effect te bereiken, zoals het schakelen van de magnetisatie op een zeer korte tijdschaal. Dit is zowel van fundamenteel als toegepast belang."