Sanatçının XMCD deneyine ilişkin izlenimi. Bir plazma kaynağından gelen yumuşak x-ışını ışığı, önce manyetik bir filmden geçirilerek dairesel olarak polarize edilir. Daha sonra, gerçek numunedeki manyetizasyon doğru bir şekilde belirlenebilir. Kredi: Christian Tzschaschel
Berlin’deki Max Born Enstitüsünden araştırmacılar, ilk kez bir lazer laboratuvarında X-ışını Manyetik Dairesel Dikroizm (XMCD) deneylerini başarıyla gerçekleştirdiler.{ 4}
Manyetik malzemelerin sırlarını çözmek, doğru aydınlatmayı gerektirir. Manyetik x-ışını dairesel dikroizmi, nanoyapılardaki manyetik düzenin kodunu çözmeyi ve bunu farklı katmanlara veya kimyasal elementlere atamayı mümkün kılar. Berlin’deki Max Born Enstitüsündeki araştırmacılar, bir lazer laboratuvarında yumuşak röntgen aralığında bu eşsiz ölçüm tekniğini uygulamayı başardılar. Bu gelişmeyle birlikte, teknolojik açıdan alakalı pek çok soru artık ilk kez büyük ölçekli bilimsel tesislerin dışında araştırılabilir.
Manyetik nanoyapılar, örneğin hızlı ve kompakt yapılar biçiminde uzun süredir günlük hayatımızın bir parçası olmuştur. veri depolama cihazları veya çok hassas sensörler. İlgili manyetik etkilerin ve işlevlerin birçoğunun anlaşılmasına büyük bir katkı, özel bir ölçüm yöntemiyle yapılır: X-ışını Manyetik Dairesel Dikroizm (XMCD).
Bu etkileyici terim, aralarındaki etkileşimin temel bir etkisini tanımlar. ışık ve madde: Ferromanyetik bir malzemede, belirli bir açısal momentum olan spin ile elektronlarda bir dengesizlik vardır. Tanımlı bir açısal momentuma da sahip olan dairesel polarize ışık bir ferromanyet aracılığıyla parlatılırsa, iki açısal momentumun paralel veya anti-paralel hizalanması için iletimde açık bir fark gözlemlenebilir – bu sözde dikroizmdir.
{ 6}Manyetik kaynaklı bu dairesel dikroizm, elemente özgü absorpsiyon kenarları dikkate alındığında özellikle yumuşak x-ışını bölgesinde (hafif parçacıkların 200 ila 2000 eV enerjisi, yalnızca 6 ila 0,6 nm dalga boyuna karşılık gelir) belirgindir. demir, nikel veya kobalt gibi geçiş metallerinin yanı sıra disprosyum veya gadolinyum gibi nadir toprakların. Bu öğeler, manyetik etkilerin teknik uygulaması için özellikle önemlidir.
XMCD etkisi, bir malzemedeki gömülü katmanlarda bile ve numune sistemine zarar vermeden ilgili öğelerin manyetik momentinin kesin olarak belirlenmesine olanak tanır. Dairesel polarize yumuşak x-ışını radyasyonu çok kısa femto-pikosaniye (ps) darbelerle gelirse, ultra hızlı mıknatıslanma süreçleri bile ilgili zaman ölçeğinde izlenebilir. Şimdiye kadar gerekli x-ışını radyasyonuna erişim, yalnızca senkrotron radyasyon kaynakları veya serbest elektron lazerleri (FEL’ler) gibi büyük ölçekli bilimsel tesislerde mümkündü ve bu nedenle son derece sınırlıydı.
İncelenen numune boyunca Fe L absorpsiyon kenarlarında (siyah veri noktaları) ortalama iletim kesin olarak ölçülebilir ve bir simülasyonla (siyah çizgi) iyi bir şekilde tanımlanır. İki absorpsiyon maksimumunda, eklere bakın, numunenin iki farklı doygunluk manyetizasyonu yönü için önemli dikroizm gözlemlenebilir. Şimdiye kadar, bu tür deneyler yalnızca büyük ölçekli tesislerde mümkün olmuştur. Kredi: Max Born Enstitüsü
Berlin’deki Max Born Enstitüsü’nde (MBI) küçük araştırma grubu lideri Daniel Schick’in etrafındaki bir araştırma ekibi, şimdi ilk kez L emiliminde XMCD deneylerini gerçekleştirmeyi başardı. bir lazer laboratuvarında yaklaşık 700 eV’lik bir foton enerjisinde demir kenarları.
Çok kısa (2 ps) ve yoğun odaklanarak gerekli yumuşak x-ışını ışığını üretmek için lazerle çalışan bir plazma kaynağı kullanıldı. (darbe başına 200 mJ) optik lazer darbeleri bir tungsten silindiri üzerine. Böylece üretilen plazma, 10 ps’den daha küçük bir darbe süresinde 200-2000 eV’lik ilgili spektral aralıkta sürekli olarak çok fazla ışık yayar. Bununla birlikte, plazmadaki stokastik üretim süreci nedeniyle, XMCD’yi gözlemlemek için çok önemli bir gereklilik karşılanmaz – yumuşak x-ışını ışığının polarizasyonu gerektiği gibi dairesel değil, tamamen rastgele, bir ışığınkine benzer ampul.
Bu nedenle, araştırmacılar bir numara kullandılar: x-ışını ışığı önce yukarıda açıklananla aynı XMCD etkisinin aktif olduğu bir manyetik polarizasyon filtresinden geçer. Polarizasyona bağlı dikroik iletim nedeniyle, filtrenin manyetizasyonuna göre paralel ve anti-paralel açısal momentuma sahip hafif parçacıkların dengesizliği üretilebilir. Polarizasyon filtresinden geçtikten sonra, kısmen dairesel veya eliptik olarak polarize edilmiş yumuşak x-ışını ışığı, bir manyetik numune üzerinde gerçek XMCD deneyi için kullanılabilir.
Polarizörün arkasındaki manyetik asimetri ve incelenen numune Fe L absorpsiyon kenarlarında. İki renk, polarizörün ters mıknatıslanmasıyla yapılan ölçümlere karşılık gelir — numunenin mıknatıslanma yönü, gözlemlenen dikroizm işaretinden (maviye karşı kırmızı eğri) hemen anlaşılır. Ölçümler, simülasyonlar (çizgiler) ile çok doğru bir şekilde yeniden üretilebilir. Kredi: Max Born Institute
OPTICA bilimsel dergisinde yayınlanan çalışma, lazer tabanlı x-ışını kaynaklarının büyük ölçekli tesisleri yakalamaya başladığını gösteriyor. Çalışmanın ilk yazarı ve MBI’de doktora öğrencisi, “Dairesel polarize yumuşak x-ışınları üretme konseptimiz yalnızca çok esnek değil, aynı zamanda ışık kaynağımızın geniş bant doğası nedeniyle XMCD spektroskopisindeki geleneksel yöntemlerden kısmen üstündür” diyor. , Martin Borchert. Özellikle, yalnızca birkaç pikosaniyelik üretilen x-ışını darbelerinin zaten gösterilmiş olan darbe süresi, örneğin ultra kısa ışık flaşlarıyla tetiklendiğinde, çok hızlı mıknatıslanma süreçlerini bile gözlemlemek ve nihai olarak anlamak için yeni olasılıklar açar.
Referans: “Pikosaniye lazerle çalışan bir plazma kaynağıyla Fe L kenarlarında X-ışını manyetik dairesel dikroizm spektroskopisi”, yazan Martin Borchert, Dieter Engel, Clemens von Korff Schmising, Bastian Pfau, Stefan Eisebitt ve Daniel Schick, 4 Nisan 2023, Optica .
DOI: 10.1364/OPTICA.480221