Nøjagtig sondering af magnetisme med lys

Ved at undersøge magnetiske materialer med ekstrem ultraviolet stråling kan du få et detaljeret mikroskopisk billede af, hvordan magnetiske systemer interagerer med lys - den hurtigste måde at manipulere et magnetisk materiale på. Et team af forskere under ledelse af Max Born Institute har nu leveret det eksperimentelle og teoretiske grundlag for at fortolke sådanne spektroskopiske signaler. Resultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Studiet af samspillet mellem lys og stof er en af ​​de mest kraftfulde måder at hjælpe fysikere med at forstå den mikroskopiske verden. I magnetiske materialer, et væld af oplysninger kan hentes ved optisk spektroskopi, hvor energien fra de enkelte lyspartikler - fotoner - fremmer indre skalelektroner til højere energier. Dette skyldes, at en sådan tilgang gør det muligt at opnå de magnetiske egenskaber separat for de forskellige typer atomer i det magnetiske materiale og gør det muligt for forskere at forstå de forskellige bestanddelers rolle og samspil. Denne eksperimentelle teknik, kaldet røntgenmagnetisk cirkulær dikroisme (XMCD) spektroskopi, har været banebrydende i slutningen af ​​1980'erne og kræver typisk et stort anlæg-en synkrotronstrålingskilde eller røntgenlaser.

For at undersøge, hvordan magnetisering reagerer på ultrakorte laserpulser-den hurtigste måde til deterministisk at styre magnetiske materialer-er der i de senere år blevet tilgængelige mindre laboratoriekilder, der leverer ultrakorte pulser i det ekstreme ultraviolette (XUV) spektrale område. XUV fotoner, være mindre energisk, ophidser mindre stærkt bundne elektroner i materialet, stille nye udfordringer for fortolkningen af ​​de resulterende spektre med hensyn til den underliggende magnetisering i materialet.

Et team af forskere fra Max Born Institute i Berlin sammen med forskere fra Max-Planck-Institute for Microstructure Physics i Halle og Uppsala University i Sverige har nu leveret en detaljeret analyse af det magneto-optiske respons for XUV-fotoner. De kombinerede eksperimenter med ab initio -beregninger, som kun tager typer af atomer og deres placering i materialet som inputinformation. For de prototypiske magnetiske elementer jern, kobolt og nikkel, de var i stand til at måle disse materialers reaktion på XUV -stråling i detaljer. Forskerne finder ud af, at de observerede signaler ikke blot er proportionelle med magnetmomentet ved det respektive element, og at denne afvigelse gengives i teorien, når der tages hensyn til såkaldte lokale felteffekter. Sangeeta Sharma, hvem gav den teoretiske beskrivelse, forklarer:"Lokale felteffekter kan forstås som en forbigående omlægning af elektronisk ladning i materialet, forårsaget af det elektriske felt for XUV -strålingen, der blev brugt til undersøgelsen. Systemets reaktion på denne forstyrrelse skal tages i betragtning ved fortolkning af spektrene. "

Denne nye indsigt gør det nu muligt kvantitativt at adskille signaler fra forskellige elementer i ét materiale. "Da de fleste funktionelle magnetiske materialer består af flere elementer, denne forståelse er afgørende for at studere sådanne materialer, især når vi er interesseret i det mere komplekse dynamiske respons, når vi manipulerer dem med laserpulser, "siger Felix Willems, undersøgelsens første forfatter. "Kombination af eksperiment og teori, vi er nu klar til at undersøge, hvordan de dynamiske mikroskopiske processer kan bruges til at opnå en ønsket effekt, såsom at skifte magnetisering på en meget kort tidsskala. Dette er af både grundlæggende og anvendt interesse. "