Ny røntgenlasersteknik afslører magnetiske skyrmion-udsving

En ny måde at betjene den kraftfulde røntgenlaser på Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har gjort det muligt for forskere at opdage og måle udsving i magnetiske strukturer, der overvejes til nye datalagrings- og computingsteknologier.

I et papir, der blev offentliggjort tidligere på måneden i Fysisk gennemgangsbreve , et team ledet af Joshua Turner, SLAC -videnskabsmand, og Sujoy Roy, personaleforsker ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), rapporteret om måling af udsvingene i disse strukturer, kaldet magnetiske skyrmions, med en milliard-af-et-sekund-opløsning, 1, 000 gange bedre, end det havde været muligt før.

Fange fluktuerende centrifugeringer

Skyrmions er multi-atom vortex spin-strukturer, hvor atomernes spin-orienteringer ændres fra en retning i midten til den modsatte retning ved omkredsen. De bevæger sig let som reaktion på elektriske felter, hvilket gør dem attraktive til brug i datalagringsteknologier, skiftregistreringshukommelser samt avancerede computingteknologier.

Atomernes ladnings- og spinaspekter er ikke stive. De reagerer på en lang række kræfter med vibrationer og andre bevægelser - samlet kaldet fluktuationer - hvoraf nogle endda påvirker selve atomernes bevægelse. Teoretikere har for nylig foreslået, at udsving kan have nøgleroller til at bestemme, hvordan komplekse materialer opfører sig, såsom fænomenet høj temperatur superledning.

Indtil nu, imidlertid, der var ingen måde at analysere skyrmions udsving i de tynde filmstrukturer, der er nødvendige for teknologiske applikationer. Dette nye resultat blev muliggjort af en nyligt udviklet "to-spand" -tilstand til at skabe par røntgenpulser ved SLAC's Linac Coherent Light Source (LCLS) frielektronlaser, der gør det muligt for forskere at studere ligevægtsfænomener, der finder sted i tidsperioder mindre end en milliarddel af et sekund for første gang.

Mens individuelle LCLS -pulser normalt adskilles med ca. 8 tusindedele af et sekund, to-spand-teknikken skaber pulspar, der kan være så tæt som en tredjedel af en milliarddel af et sekund fra hinanden. Da han for to år siden fik kendskab til tilstanden to spand, Turner vidste med det samme, at det skulle være nyttigt til måling af udsving i magnetiske systemer, såsom skyrmions.

"Inden denne undersøgelse, forskere har brugt LCLS til at studere ikke-ligevægtsfysik på endnu hurtigere tidsskalaer, "Turner forklarede." Den nye teknik åbner døren til en hel kategori af eksperimenter, der nu kan udføres i ligevægt ved en røntgenfri elektronlaser. "

Ved et tilfælde, Roy, en mangeårig ven af ​​Turner, havde brugt bløde røntgenstråler ved Berkeley Labs avancerede lyskilde (ALS) til at undersøge skyrmions og deres udsving, senest i et jern-gadolinium lagdelt materiale dyrket af UC-San Diego professor Eric Fullerton. De to blev hurtigt enige om at bruge LCLS for at se, om de, i samarbejde med Fullerton, kunne se hurtige skyrmion -udsving ved hjælp af den samme prøve.

Brug af røntgenstråler til at drille magnetiske ændringer ud

Detektionsprocessen, der bruges til at se udsvingene, kaldes røntgenfotonkorrelationsspektroskopi. Ved at skinne en ultrakort puls af sammenhængende røntgenstråler på prøven frembringes et pletinterferensmønster, der repræsenterer prøvens magnetiske træk. Opfølgning hurtigt med en anden puls tilføjer et andet flekkemønster oven på det første på den samme detektor. Eventuelle udsving vil få det andet mønster til at være anderledes, så uklarheden i det kombinerede billede angiver størrelsen af ​​udsvingene i prøven.

"Denne teknik ligner måling af stjernens glimt for at belyse detaljer om turbulens i jordens atmosfære, "Turner sagde." I dette tilfælde, målet med at måle 'blinkende' af de detekterede røntgenstråler er at forstå, hvordan materialets magnetiske struktur svinger, og hvordan det påvirker materialets egenskaber. "

En af flere udfordringer ved at foretage disse målinger var at reducere intensiteten af ​​LCLS's røntgenpulser, så de ikke ville skabe deres egne udsving i prøven. Forskellige teknikker reducerede i sidste ende fluxen af ​​røntgenstråler, der ramte prøven til en milliontedel af den oprindelige pulsenergi.

"Vi vil bare kildre prøven, "Turner sagde." Det er langt fra det typiske LCLS 'pumpesonde'-eksperiment, hvor de intense røntgenpulser kan, af design, modificere, eller endda sprænge prøverne væk. "

Det var også meget vanskeligt at udvikle måder til måling af røntgenintensiteterne for hvert pars pulser og deres tidsintervaller og til at detektere så få fotoner i plettemønstrene, tilføjede Matt Seaberg, SLAC associeret personaleforsker og første forfatter af papiret. Forskerne justerede tiden mellem hvert pars pulser fra en brøkdel af et nanosekund til 25 nanosekunder (et nanosekund er en milliarddel af et sekund) og indstillede også et eksternt magnetfelt til at spænde over en række magnetiske forhold i prøven.

"Dette er en helt ny måde at foretage denne form for måling på, "Sagde Roy." Tidsopløsningen er begrænset af den tid, der adskiller de to impulser, acceleratoren producerer. "

Da de indstillede det eksterne magnetfelt til at være mest ideelt for skyrmions i prøven, de så, at udsving opstod med en periode på cirka 4 nanosekunder. Men da magnetfeltet blev reduceret en smule til, hvor de cirkulære skyrmionstrukturer begynder at vige for en anden fase med stribede magnetiske domænestrukturer, udsvingstiden faldt til kun en brøkdel af et nanosekund.

"Dette resultat indikerer, at udsvingene er større og hurtigere nær grænsen for skyrmion- og stribefaserne, "Joshua Turner sagde." Disse oplysninger er vigtige for at tyde den rolle, magnetiske udsving spiller, når materialet omdannes fra den ene fase til den anden. Det vil også give os mulighed for at oprette forbindelse til teoretiske modeller, der bruges til at forstå, hvordan udsving fremmer faseovergange i et væld af magnetiske og magnetiske faste stoffer. "

Den kollegiale kultur på SLAC spillede en stor rolle i succesen med denne forskning, Turner tilføjet. Forskerne arbejdede tæt sammen med acceleratorfysikerne Jim Turner og Franz-Josef Decker, der udtænkte to-spand-teknikken.

"Alt dette skete på grund af det tætte arbejdsforhold mellem LCLS-fysikerne på røntgensiden sammen med dem på acceleratorfysiksiden, "sagde han." Nogle gange er det ikke klart, hvordan vi kan bruge deres fantastiske udvikling. Men at arbejde sammen gjorde dette til en meget frugtbar indsats. "

Det samme team bruger fortsat de samme teknikker til at undersøge Fullertons materiale mere detaljeret, og fremtidigt arbejde planlagt til denne vinter vil udforske andre magnetisk komplekse materialer, såsom spin-is og høj temperatur superledere.