Kunstmatige spin-ijsjes (ASI's) zijn magnetische metamaterialen met exotische eigenschappen die afhankelijk zijn van hun geometrie. De afgelopen jaren is veel natuurkundigen hebben deze materialen bestudeerd, omdat hun unieke eigenschappen voordelig kunnen zijn voor een aantal toepassingen.

Onderzoekers van de Universiteit van Kentucky, Argonne Nationaal Laboratorium, Lawrence Berkeley National Laboratory en andere instituten in de VS hebben onlangs een methode geïntroduceerd om een ​​schakelbaar röntgenbaanimpulsmoment (OAM) in ASI-magnetische systemen te bereiken. Hun aanpak, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , kan de weg vrijmaken voor nieuw onderzoek naar de eigenschappen van magnetische systemen, ferro-elektriciteit, chirale systemen en nanostructuren.

"Ik ben erg geïnteresseerd in het onderwerp van fotonen die orbitaal impulsmoment (OAM) dragen, "Sjoy Roy, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In de gemeenschap van zichtbaar licht is er veel werk verzet op dit gebied, maar in het geval van röntgenfoto's zijn er beperkte rapporten geweest. Dus, we begonnen ernaar te kijken en we waren de eersten die met succes OAM met zachte röntgenstralen konden genereren."

In een eerder artikel gepubliceerd in Natuurfotonica , Roy en zijn collega's toonden aan dat ze met succes OAM-dragende zachte röntgenstralen konden genereren door een gespecialiseerd rooster te fabriceren met een vorkdislocatie. Vervolgens, terwijl ze 2D vierkante ASI's onderzochten, ze begonnen de generatie van OAM-balken te onderzoeken in gevallen waarin het vierkante rooster van een materiaal een vorkdefect heeft.

"Dit was vooral interessant omdat ons rooster magnetisch was; dus het rangschikt zichzelf antiferromagnetisch onder de besteltemperatuur, "Zei Roy. "Nu is de vraag, als we een vork introduceren, wat gebeurt er met de antiferromagneet? Gaat het monster nog steeds in een antiferromagnetische toestand? Na een reeks discussies en brainstorming binnen de groep, kwamen we tot de conclusie dat door het invoegen van een dubbele dislocatie, het monster kan nog steeds naar een antiferromagnetische toestand gaan."

ASI's zijn arrays van nanomagneten met patronen die enkele gemeenschappelijke eigenschappen hebben met waterijs. ASI's kunnen vaak "gefrustreerd, " wat in wezen betekent dat magneten die erin zitten zich niet kunnen afstemmen op hun buren op een manier die de energie die betrokken is bij hun interacties zou minimaliseren. Zoals Linus Pauling in 1935 opmerkte, waterstofatomen in waterijs zijn meestal op een vergelijkbare manier gerangschikt.

Ongeveer een decennium geleden, natuurkundigen toonden aan dat vierkante ASI's, eerst bestudeerd door een onderzoeksteam aan de Penn State University, zijn niet echt "gefrustreerd, " maar in plaats daarvan komen ze in een goed geordende antiferromagnetische grondtoestand. Dit werd voor het eerst voorspeld in 2006 door Möller en Moessner en experimenteel aangetoond in 2011 door Christopher Marrows en zijn collega's aan de Universiteit van Leeds. Wanneer ze zich in een antiferromagnetische grondtoestand bevinden, de magneten in het rooster zijn zo georiënteerd dat ze opheffen, zodat er geen netto magnetisatie van de ASI is.

"We werken al enige tijd op het gebied van kunstmatige spin-ijsjes (ASI's) in samenwerking met professor Lance De Long van de Universiteit van Kentucky, "Todd Hastings, een andere onderzoeker die betrokken was bij de recente studie, vertelde Phys.org. "Een andere groep, geleid door John Cumings aan de Universiteit van Maryland, toonde aan dat het introduceren van een vorkdislocatie (topologische lading 1) in een vierkante ASI frustratie opnieuw introduceert en de vorming van een enkele antiferromagnetische grondtoestand voorkomt. Ons team erkende dat het introduceren van een dubbele vorkdislocatie (topologische lading 2) de antiferromagnetische grondtoestand mogelijk zou kunnen hervormen."

In de door Roy onderzochte ASI, Hastings en hun collega's, de topologische lading (d.w.z. nummer van het vorkdefect) in de structuur is 2, terwijl die van de antiferromagneet 1 is, wat leidt tot twee verschillende topologische ladingen in een enkel systeem. Naast het onderzoeken hoe de introductie en verwijdering van frustratie de lading van een enkel defect in vierkante ASI-systemen kan veranderen, de onderzoekers keken naar hoe röntgenstralen uit deze structuren zouden verstrooien.

"Al enige tijd, we hadden nagedacht over hoe we röntgenstralen konden maken met OAM die aan en uit konden worden gezet, Hastings legde uit. "Lichtdragende OAM kan ervoor zorgen dat kleine objecten in een baan om het midden van de straal draaien en heeft toepassingen mogelijk gemaakt die zo divers zijn als kwantumcryptografie, optisch pincet, en telecommunicatie. Hoewel X-ray OAM veel minder vaak voorkomt, het kan worden gecreëerd door diffractie van constructies met vorkdefecten. We veronderstelden dus dat röntgenstralen die worden verspreid door vierkante ASI's met gevorkte defecten ook OAM zouden dragen."

Een onderzoeksteam onder leiding van Laura Heyderman van de ETH Zürich en het Paul Scherrer Institute toonde aan dat door een extern magnetisch veld toe te passen op vierkante ASI's, ze kunnen in een ferromagnetische toestand worden geplaatst, waarin alle nanomagneten in dezelfde richting zijn georiënteerd. Geïnspireerd door dit eerdere werk, Roy en Hastings veronderstelden dat een aangelegd magnetisch veld ook magnetisch verstrooide OAM-stralen zou kunnen uitschakelen, en dat deze stralen weer zouden worden ingeschakeld wanneer het systeem terugkeerde naar de grondtoestand.

"Hiermee, het hele plaatje kwam samen van een systeem dat röntgenstralen kon produceren met verschillende orbitale impulsmomenten en waarin de magnetisch verstrooide stralen konden worden in- en uitgeschakeld, ' zei Hastings.

Röntgenstralen zijn meestal gevoelig voor de dichtheid van een materiaal, maar niet erg gevoelig voor magnetisch moment. Om röntgenstralen te verkrijgen die gevoelig zijn voor magnetische signalen, de onderzoekers gebruikten een techniek genaamd Resonant X-ray Magnetic Scattering (RXMS), met een coherente straal (d.w.z. een met een goed gedefinieerde amplitude en fase). Met deze techniek konden ze een hogere magnetische gevoeligheid bereiken, door de energie van de invallende bundel af te stemmen op de absorptierand van een element.

"In ons geval, we hebben afgestemd op de L3-rand van ijzer die op 707 eV staat (ter referentie, Cu K-alfastraling is 8 keV) en toen bogen we af met een coherente röntgenstraal, Roy legde uit. "Vanwege de bundelcoherentie, de fase van de afgebogen bundel werkte coherent, zodat de hele uitgaande bundel een spiraalvormig fasefront kreeg dat aanleiding gaf tot OAM."

Wanneer onderzoekers een diffractie-experiment uitvoeren met behulp van RXMS-technieken, ze kunnen sterke pieken waarnemen onder bepaalde hoeken die voldoen aan de Bragg-voorwaarde, waar de verstrooide röntgenstralen constructief interfereren. Omdat de roosterafstand in antiferromagneten twee keer zo groot is als die van structurele roosters, de antiferromagnetische piek verschijnt over het algemeen in een andere positie. Dit verschil in positie helpt onderzoekers onderscheid te maken tussen ladings- en magnetische diffractiepieken.

"Als we de gevorkte 2D-array afbuigen, we krijgen OAM-stralen zowel bij structurele Bragg-pieken als magnetische Bragg-pieken, "Zei Roy. "Echter, vanwege de twee verschillende topologische ladingen, we zien verschillende OAM-inhoud in de structurele en magnetische Bragg-pieken. Verder, omdat we het kunstmatige spin-ijs kunnen besturen met een aangelegd veld, dit hield in dat we de OAM-inhoud van de straal zouden kunnen regelen."

De nanomagneten in de ASI's die Roy gebruikt, Hastings en hun collega's waren gemaakt van permalloy, een legering van nikkel en ijzer. Om het door hen onderzochte systeem te creëren, schreven de onderzoekers een patroon in een polymeer op een siliciumwafeltje, met behulp van een techniek die elektronenstraallithografie wordt genoemd.

"Ons monster werd vervolgens gecoat met permalloy door het materiaal in vacuüm te verdampen (elektronenstraalverdamping) waardoor het zich over het patroon kon afzetten, " zei Hastings. "Vervolgens, we verwijderden het polymeer en de permalloy die bovenop de niet-patroongebieden rustten (een zogenaamd lift-off-proces). Elke nanomagneet was 470 nm lang, 170 nm breed, en slechts 3 nm dik. Een mensenhaar is ongeveer 100, 000 nm in diameter, dus als je deze magneten rechtop zou houden, ongeveer 15 miljoen van hen zouden op het uiteinde van een mensenhaar passen."

Wanneer röntgenstralen onder de juiste hoek werden afgebogen en wanneer de straal werd afgestemd op de magnetische L3-rand van ijzer, de onderzoekers ontdekten dat het ASI-systeem dat ze onderzochten een antiferromagnetische grondtoestand binnenging. Ze bevestigden later de aanwezigheid van deze toestand door de magnetisatie van de nanomagneten in het systeem direct in beeld te brengen, met behulp van een techniek die bekend staat als röntgenmagnetisch circulair dichroïsme foto-emissie-elektronenmicroscopie (XMCD-PEEM). Met behulp van deze techniek, ze verlichtten de ASI met röntgenstralen en vingen de elektronen die door de nanomagneten werden uitgezonden in een elektronenmicroscoop.

"Tijdens de röntgenverstrooiingsexperimenten, we verwarmden het monster tot ongeveer 100°C om aan te tonen dat de magnetisch verstrooide bundels konden worden uitgeschakeld met de temperatuur toen de ASI overschakelde van antiferromagnetische orde naar een paramagnetische toestand, " zei Hastings. "Het is interessant dat de permalloy zelf niet paramagnetisch wordt tot ongeveer 600 ° C, dus de ASI imiteert een paramagneet terwijl de permalloy ferromagnetisch blijft."

De onderzoekers pasten ook een magnetisch veld toe op de ASI die ze onderzochten om al zijn magneten in dezelfde richting te oriënteren. In plaats van te roteren in het externe magnetische veld, de nanomagneten veranderden hun magnetisatierichting intern. De onderzoekers ontdekten dat zodra de ASI niet langer in de antiferromagnetische grondtoestand was, de magnetisch verstrooide röntgenstralen OAM-stralen verdwenen.

"Tot dusver, het genereren van OAM-bundel in röntgenregime was een niet-triviale taak, "Zei Roy. "Nu we deze stralen kunnen genereren en ook een manier hebben om ze te controleren, het opent nieuwe mogelijkheden. Bijvoorbeeld, deze bundels kunnen worden gebruikt om topologische spintexturen in magnetische systemen te bestuderen, polaire wervelingen in ferro-elektriciteit, chirale systemen en nanostructuren."

De aanpak voor het genereren van een schakelbare X-ray OAM van ASI's bedacht door Roy, Hastings en hun collega's zouden tal van interessante toepassingen kunnen hebben. Naast het informeren van nieuwe studies die verschillende materialen onderzoeken, het zou nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor het gebruik van röntgenstraling in de kwantuminformatiewetenschap. Bovendien, met behulp van de methoden die door dit onderzoeksteam worden gebruikt, natuurkundigen zouden andere materialen kunnen identificeren die kunnen worden gebruikt om op maat gemaakte röntgenstralen te genereren.

"De mogelijkheid om controleerbare X-ray OAM te genereren, biedt een opwindend nieuw hulpmiddel voor het bestuderen van andere materialen, " zei Hastings. "Onze studie verschaft ook enig inzicht in hoe kunstmatig spinijs zich gedraagt ​​in aanwezigheid van zogenaamde topologische defecten. Dat is, nu weten we dat defectvrije vierkante ASI's niet gefrustreerd zijn en antiferromagnetisch bestellen, dat defecten met topologische lading van één frustratie introduceren, en defecten van topologische lading twee verwijderen frustratie."

Roy, Hastings en hun medewerkers proberen nu te bepalen of de stralen die in hun experimenten worden gegenereerd, gevoelig zijn voor specifieke kenmerken van andere materialen. Als dit de zaak is, hun bevindingen kunnen nieuwe wegen en horizonten creëren voor onderzoek naar verschillende materiële systemen.

"Naast het toepassen van röntgenstralen OAM-stralen om andere materialen te bestuderen, we bestuderen ook complexere ASI's die verschillende OAM-stralen kunnen genereren, nieuwe manieren verkennen om van OAM te wisselen, en proberen te leren hoe topologische defecten het gedrag van ASI's in meer detail beïnvloeden, ' zei Hastings.

© 2021 Science X Network