BESSY II:Ultrahurtig skift af helicitet af cirkulært polariserede lysimpulser

Ved BESSY II opbevaringsringen, et fælles hold af acceleratorfysikere, undulator-eksperter og eksperimentatorer har vist, hvordan heliciteten af ​​cirkulært polariseret synkrotronstråling kan skiftes hurtigere - op til en million gange hurtigere end før. De brugte en elliptisk dobbelt-undulator udviklet ved HZB og drev lagerringen i den såkaldte to-kredsløbstilstand. Dette er en speciel driftsform, som først for nylig blev udviklet hos BESSY II og giver grundlaget for hurtig skift. Den ultrahurtige ændring af lyshelicitet er særligt interessant at observere processer i magnetiske materialer og har længe været forventet af et stort brugerfællesskab.

I synkrotronstrålingskilder som BESSY II, elektronbundter kredser om lagerringen med næsten lysets hastighed. De er tvunget til at udsende ekstremt skarpe lysimpulser med særlige egenskaber af periodiske magnetiske strukturer (undulatorer).

Elliptiske undulatorer kan også bruges til at generere cirkulært polariserede lysimpulser, som viser en funktion kaldet helicitet:polariseringen går enten med eller mod uret. Magnetiske strukturer i materialer reagerer forskelligt på cirkulært polariseret lys:Afhængig af røntgenimpulsernes helicitet, de absorberer mere eller mindre denne stråling.

Siden 1980'erne, dette er blevet udnyttet i såkaldte XMCD (X-ray Circular Dichroism) eksperimenter til at undersøge statiske og dynamiske ændringer i magnetiske materialer eller til at afbilde magnetiske nanostrukturer på overflader.

Især for sådanne billeddannelsesteknikker, brugermiljøet ved synkrotronstrålingskilder har længe ønsket muligheden for hurtigt at skifte lysets helicitet, hovedsagelig fordi dette direkte resulterer i en magnetisk billedkontrast, der gør bits i magnetiske datalagringsenheder synlige og kvantificerbare.

I de elliptiske undulatorer, der er typiske for BESSY II (APPLE II), udviklet af gruppen omkring Johannes Bahrdt, lysets helicitet skiftes af en mekanisk forskydning af meterlange arrangementer af stærke permanente magneter, en proces, der nogle gange tager op til minutter.

Den nye metode, imidlertid, er baseret på kombinationen af ​​sådanne undulatorer med en speciel bane af elektronstrålen i lagerringen - genereret af de såkaldte TRIB'er (tværresonans-ø-spande). TRIB'er er blevet eksperimentelt udforsket af acceleratoreksperten Dr. Paul Goslawski på BESSY II. Mens elektronernes bane i lagerringen normalt lukkes efter en bane, i TRIBs-tilstanden løber elektronerne på forskellige baner under på hinanden følgende baner og kan således udsende røntgenimpulser fra forskellige magnetfeltkonfigurationer, foreslog Dr. Karsten Holldack og Dr. Johannes Bahrdt.

De var for nylig i stand til at vise, at deres idé faktisk virker ved hjælp af den eksisterende dobbeltundulator UE56-2 ved BESSY II i et piloteksperiment:Når de passerer gennem et specielt forberedt magnetarrangement af denne dobbeltundulator, elektronbundterne fra forskellige baner i TRIBs-tilstand udsendte røntgenfotoner med samme bølgelængde, men modsat cirkulær polarisering.

Dermed, i princippet, XMCD-signaler fra magnetiske prøver kan nu studeres med intervaller på kun 1 mikrosekund med højre- og derefter venstre-cirkulært polariserede lysimpulser. I piloteksperimentet blev XMCD-signalerne fra en magnetisk prøve (nikkel i permalloy) detekteret fra omdrejning til omdrejning, og den hurtige (MHz) helicitetsændring kunne tydeligt demonstreres. Med nye undulatorer skræddersyet til dette formål, specielle beamlines med ultrahurtig helicitetsændring kunne tilbydes på BESSY II i TRIBs-tilstand. I sidste ende kan skiftetider skrumpe til nanosekunder.

"Vi er virkelig glade for, at udviklingen af ​​Two-Orbit/TRIBs tillader nu allerede nye eksperimenter på BESSY II", siger Goslawski. Dette ville også være en attraktiv mulighed for BESSY III. Resultaterne er nu offentliggjort i Naturkommunikationsfysik .