Wat gebeurt er als zeer korte pulsen van laserlicht een magnetisch materiaal raken? Een grote internationale samenwerking onder leiding van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) wilde deze vraag beantwoorden. Zoals ze net meldden in de Proceedings van de National Academy of Sciences , de laser onderdrukte de magnetische orde over het hele materiaal gedurende enkele picoseconden, of biljoensten van een seconde. Begrijpen hoe magnetische correlaties veranderen op ultrasnelle tijdschalen is de eerste stap om magnetisme op toepassingsgerichte manieren te kunnen beheersen. Bijvoorbeeld, met zo'n controle, we kunnen mogelijk sneller gegevens naar geheugenapparaten schrijven of supergeleiding verbeteren (het fenomeen waarbij een materiaal elektriciteit geleidt zonder energieverlies), die vaak concurreert met andere staten zoals magnetisme.

Het onderzochte materiaal was strontiumiridiumoxide (Sr ₃ Ir ₂ O ₇ ), een antiferromagneet met een dubbellaagse kristalstructuur en een grote magnetische anisotropie. In een antiferromagneet, de magnetische momenten, of elektronenspins, in tegengestelde richtingen uitlijnen met naburige spins. Anisotropie betekent dat de spins energetische kosten moeten betalen om in een willekeurige richting te draaien; ze willen heel graag naar boven of naar beneden in de kristalstructuur zitten. De X-ray Scattering Group van de afdeling Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) van Brookhaven Lab heeft dit materiaal (en een enkellaags zusterverbinding, sr ₂ IrO ₄ ), dus gingen ze deze studie in met een goed begrip van de evenwichtstoestand.

"De zeer korte laserpulsen verstoren het systeem, het vernietigen van zijn magnetische orde, " zei eerste auteur Daniel Mazzone, voormalig groepslid en nu instrumentwetenschapper bij de Continuous Angle Multiple Energy Analysis (CAMEA) spectrometer aan het Paul Scherrer Institute in Zwitserland. "In dit onderzoek, we waren geïnteresseerd om te zien hoe het systeem zich weer ontspant naar zijn normale toestand. We wisten dat de versoepeling plaatsvindt op een zeer snelle tijdschaal, en om een ​​foto te maken van iets dat heel snel beweegt, we hebben zeer korte lichtpulsen nodig. Met een röntgenbron met vrije elektronenlaser, we kunnen pulsen genereren die kort genoeg zijn om de beweging van atomen en moleculen te zien. Dergelijke bronnen bestaan ​​slechts op vijf plaatsen in de wereld - in de Verenigde Staten, Japan, Korea, Duitsland, en Zwitserland."

In dit onderzoek, het team voerde experimenten uit in twee van de vijf faciliteiten. Op de SPring-8 Angstrom Compacte vrije-elektronenlaser (SACLA) in Japan, ze voerden in de tijd opgeloste resonante elastische röntgenverstrooiing (tr-REXS) uit. Bij het röntgenpomp-sonde-instrument van de Linac Coherent Light Source - een DOE Office of Science User Facility bij SLAC National Accelerator Laboratory - voerden de wetenschappers tijdsopgeloste resonante inelastische röntgenverstrooiing (tr-RIXS) uit. Bij beide verstrooiingstechnieken Röntgenstralen (sonde) treffen het materiaal vrijwel direct na de laserpuls (pomp). Door de energie en hoek van verstrooide lichtdeeltjes (fotonen) te meten, wetenschappers kunnen de elektronische structuur van het materiaal en dus de magnetische configuratie bepalen. In dit geval, de röntgenenergie was afgestemd om gevoelig te zijn voor de elektronen rond iridium-atomen, die het magnetisme in dit materiaal aandrijven. Terwijl tr-REXS de mate van magnetische orde op lange afstand kan onthullen, tr-RIXS kan een beeld geven van lokale magnetische interacties.

"Om het gedetailleerde gedrag van spins te observeren, we moeten de energieverandering van de röntgenstralen meten met zeer hoge precisie, " verklaarde co-corresponderende auteur Mark Dean, een fysicus in de CMPMS Division X-ray Scattering Group. "Om dat te doen, we hebben bij SLAC een gemotoriseerde röntgenspectrometer gebouwd en geïnstalleerd."

Hun gegevens onthulden hoe magnetische interacties niet alleen lokaal maar overal worden onderdrukt. Deze onderdrukking houdt picoseconden aan voordat de magnetische orde terugkeert naar zijn oorspronkelijke antiferromagnetische toestand.

"Het dubbellagensysteem heeft geen energetisch goedkope manieren om de magnetische toestand te vervormen, " legde Dean uit. "Het komt vast te zitten in dit knelpunt waar het magnetisme uit evenwicht is en niet herstelt, in ieder geval niet zo snel als in het monolaagsysteem."

"Voor de meeste toepassingen zoals gegevensopslag, u wilt snel magnetisch schakelen, " voegde Mazzone toe. "Ons onderzoek suggereert systemen waar spins in welke richting dan ook kunnen wijzen, zijn beter voor het manipuleren van magnetisme."

Volgende, het team is van plan om gerelateerde materialen te bekijken en hoopt magnetisme op meer gerichte manieren te manipuleren, bijvoorbeeld veranderen hoe sterk twee aangrenzende spins met elkaar "praten".

"Als we de afstand tussen twee spins kunnen veranderen en zien hoe dat hun interactie beïnvloedt, dat zou echt gaaf zijn, " zei Mazzone. "Met een goed begrip van hoe magnetisme evolueert, we zouden het kunnen aanpassen, misschien het genereren van nieuwe staten."