Röntgenlasers met vrije elektronen leveren intense, ultrakorte pulsen van röntgenstralen, die kan worden gebruikt om objecten op nanometerschaal in één keer in beeld te brengen. Wanneer de röntgengolflengte wordt afgestemd op een elektronische resonantie, magnetisatiepatronen kunnen zichtbaar worden gemaakt. Bij het gebruik van steeds intensere pulsen, echter, het magnetisatiebeeld vervaagt. Het mechanisme dat verantwoordelijk is voor dit verlies in resonante magnetische verstrooiingsintensiteit is nu opgehelderd.

Net als bij flitsfotografie, korte maar intense flitsen van röntgenstralen kunnen worden gebruikt om beelden of röntgendiffractiepatronen op te nemen die beweging "bevriezen" die langzamer is dan de duur van de röntgenpuls. Het voordeel van röntgenstralen ten opzichte van zichtbaar licht is dat objecten op nanometerschaal kunnen worden onderscheiden vanwege de korte golflengte van röntgenstralen. Verder, als de golflengte van de röntgenstralen is afgestemd op bepaalde energieën voor elektronische overgangen, onderzoekers kunnen unieke contrasten produceren, bijvoorbeeld, om de magnetisatie van verschillende domeinen binnen een materiaal zichtbaar te maken. De fractie van röntgenstralen verstrooid vanuit een magnetisch domeinpatroon, echter, neemt af wanneer de röntgenintensiteit in de puls wordt verhoogd. Hoewel dit effect werd waargenomen in de eerste beelden van magnetische domeinen die in 2012 werden vastgelegd met een röntgenlaser met vrije elektronen, er zijn verschillende verklaringen voorgesteld om dit verlies in verstrooide röntgenintensiteit te verklaren.

Een team van onderzoekers van MBI Berlin, samen met collega's uit Italië en Frankrijk, heeft nu nauwkeurig de afhankelijkheid van de resonante magnetische verstrooiingsintensiteit geregistreerd als een functie van de röntgenintensiteit die per oppervlakte-eenheid (de "fluence") op een ferromagnetisch domeinmonster invalt. Via integratie van een apparaat om de intensiteit te detecteren van elke afzonderlijke opname die het werkelijke monstergebied raakt, ze waren in staat om de verstrooiingsintensiteit over drie ordes van grootte met ongekende precisie vast te leggen, ondanks de intrinsieke variaties van schot tot schot van de röntgenstraal die de kleine monsters raakt. De experimenten met zachte röntgenstralen werden uitgevoerd bij de FERMI-röntgenlaser met vrije elektronen in Triëst, Italië.

Magnetisatie is een eigenschap die direct gekoppeld is aan de elektronen van een materiaal, die het magnetische moment vormen via hun spin en orbitale beweging. Voor hun experimenten, de onderzoekers gebruikten patronen van ferromagnetische domeinen die zich vormen in kobaltbevattende multilagen, een prototypisch materiaal dat vaak wordt gebruikt in magnetische verstrooiingsexperimenten bij röntgenlasers. In de interactie met röntgenstralen, de elektronenpopulatie wordt verstoord en energieniveaus kunnen worden gewijzigd. Beide effecten kunnen leiden tot een vermindering van verstrooiing, ofwel door een tijdelijke vermindering van de werkelijke magnetisatie in het materiaal als gevolg van de herschikking van elektronen met verschillende spin, of door de magnetisatie niet meer te kunnen detecteren vanwege de verschuiving in de energieniveaus. Verder, er is gedebatteerd of het begin van gestimuleerde emissie bij hoge röntgenstraalstromen toegediend tijdens een puls van ongeveer 100 femtoseconden verantwoordelijk kan zijn voor het verlies in verstrooiingsintensiteit. Het mechanisme in het laatste geval is te wijten aan het feit dat bij gestimuleerde emissie, de richting van een uitgezonden foton wordt gekopieerd van het invallende foton. Als resultaat, het uitgezonden röntgenfoton zou niet bijdragen aan de uit de oorspronkelijke richting verstrooide bundel, zoals geschetst in Fig.1.

In de resultaten gepresenteerd in Fysieke beoordelingsbrieven , de onderzoekers laten zien dat, hoewel het verlies aan magnetische verstrooiing in resonantie met de Co 2p-kernniveaus in het verleden is toegeschreven aan gestimuleerde emissie, voor verstrooiing in resonantie met de ondiepere Co 3p-kernniveaus, dit proces is niet significant. De experimentele gegevens over het gehele fluentiebereik worden goed beschreven door simpelweg te kijken naar de feitelijke demagnetisatie die plaatsvindt binnen elk magnetisch domein, die de MBI-onderzoekers eerder hadden gekarakteriseerd met op laser gebaseerde experimenten.

Gezien de korte levensduur van de Co 3p-kernniveaus van ongeveer een kwart femtoseconde, die wordt gedomineerd door Auger-verval, het is waarschijnlijk dat de hete elektronen die door de Auger-cascade worden gegenereerd, samen met daaropvolgende elektronenverstrooiingsgebeurtenissen, leiden tot een herschikking van spin-up en spin-down-elektronen die de magnetisatie tijdelijk uitdoven. Aangezien deze verminderde magnetisatie zich manifesteert binnen de duur van de gebruikte röntgenpulsen (70 en 120 femtoseconde) en veel langer aanhoudt, het laatste deel van de röntgenpuls interageert met een domeinpatroon waar de magnetisatie feitelijk is verdwenen. Dit komt overeen met de waarneming dat er minder vermindering van de magnetische verstrooiing wordt waargenomen wanneer het magnetische monster wordt geraakt met hetzelfde aantal röntgenfotonen binnen een kortere pulsduur (Fig. 2). In tegenstelling tot, als gestimuleerde emissie het dominante mechanisme zou zijn, het tegenovergestelde gedrag zou worden verwacht.

Naast het verduidelijken van het mechanisme dat aan het werk is, de bevindingen hebben belangrijke gevolgen voor toekomstige single-shot-experimenten op magnetische materialen bij röntgenlasers met vrije elektronen. Vergelijkbaar met de situatie in de structurele biologie, waarbij beeldvorming van eiwitmoleculen door intense röntgenlaserpulsen kan worden belemmerd door de vernietiging van het molecuul tijdens de puls, onderzoekers die magnetische nanostructuren onderzoeken, moeten in hun experimenten ook verstandig de fluentie en pulsduur kiezen. Met de fluence-afhankelijkheid van resonante magnetische verstrooiing in kaart gebracht, onderzoekers van röntgenlasers hebben nu een richtlijn om hun toekomstige experimenten dienovereenkomstig te ontwerpen.