Selvinduceret ultrahurtig afmagnetisering begrænser mængden af ​​lys, der diffrakteres fra magnetiske prøver ved bløde røntgenenergier

Gratis elektronrøntgenlasere leverer intense, ultrakorte pulser af røntgenstråler, som kan bruges til at afbilde objekter i nanometerskala i et enkelt skud. Når røntgenbølgelængden er indstillet til en elektronisk resonans, magnetiseringsmønstre kan gøres synlige. Når du bruger mere og mere intense pulser, imidlertid, magnetiseringsbilledet forsvinder. Mekanismen, der er ansvarlig for dette tab i resonans magnetisk spredningsintensitet, er nu blevet klarlagt.

Ligesom i flashfotografering, korte, men intense glimt af røntgenstråler kan bruges til at optage billeder eller røntgendiffraktionsmønstre, som "fryser" bevægelser, der er langsommere end varigheden af ​​røntgenimpulsen. Fordelen ved røntgenstråler frem for synligt lys er, at objekter i nanometerskala kan skelnes på grund af røntgenstrålernes korte bølgelængde. Desuden, hvis røntgenstrålernes bølgelængde er indstillet svarende til bestemte energier for elektroniske overgange, forskere kan producere unik kontrast, for eksempel, at gøre magnetiseringen af ​​forskellige domæner inden for et materiale synlig. Fraktionen af ​​røntgenstråler spredt fra et magnetisk domænemønster, imidlertid, falder, når røntgenintensiteten i pulsen øges. Mens denne effekt blev observeret i de første billeder af magnetiske domæner optaget ved en fri elektron røntgenlaser i 2012, en række forskellige forklaringer er blevet foreslået for at forklare dette tab i spredt røntgenstråleintensitet.

Et team af forskere fra MBI Berlin, sammen med kolleger fra Italien og Frankrig, har nu præcist registreret afhængigheden af ​​den resonansmagnetiske spredningsintensitet som funktion af røntgenstråleintensiteten, der falder ind pr. arealenhed ("fluensen") på en ferromagnetisk domæneprøve. Via integration af en enhed til at registrere intensiteten af ​​hvert enkelt skud, der rammer det faktiske prøveområde, de var i stand til at registrere spredningsintensiteten over tre størrelsesordener i indflydelse med hidtil uset præcision, på trods af de iboende skud-til-skud variationer af røntgenstrålen, der rammer de små prøver. Forsøgene med bløde røntgenstråler blev udført på FERMI frielektron røntgenlaseren i Trieste, Italien.

Magnetisering er en egenskab, der er direkte koblet til elektronerne i et materiale, som udgør det magnetiske moment via deres spin og orbitale bevægelse. Til deres eksperimenter, forskerne brugte mønstre af ferromagnetiske domæner, der dannes i koboltholdige flerlag, et prototypisk materiale, der ofte bruges i magnetiske spredningsforsøg ved røntgenlasere. I samspillet med røntgenstråler, populationen af ​​elektroner er forstyrret, og energiniveauet kan ændres. Begge effekter kan føre til en reduktion i spredning, enten gennem en forbigående reduktion af den faktiske magnetisering i materialet på grund af omrokering af elektroner med forskelligt spin, eller ved ikke at kunne detektere magnetiseringen længere på grund af skiftet i energiniveauerne. Desuden, det er blevet diskuteret, om begyndelsen af ​​stimuleret emission ved høje røntgenfluenser administreret under en puls af ca. 100 femtosekunders varighed kan være ansvarlig for tabet i spredningsintensitet. Mekanismen i sidstnævnte tilfælde skyldes det faktum, at i stimuleret emission, retningen af ​​en udsendt foton kopieres fra den indfaldende foton. Som resultat, den udsendte røntgenfoton ville ikke bidrage til strålen spredt væk fra den oprindelige retning, som skitseret i Fig.1.

I resultaterne præsenteret i Fysisk gennemgangsbreve , forskerne viser, at mens tabet i magnetisk spredning i resonans med Co 2p-kerneniveauerne tidligere er blevet tilskrevet stimuleret emission, til spredning i resonans med de lavere Co 3p-kerneniveauer, denne proces er ikke væsentlig. De eksperimentelle data over hele fluensområdet er godt beskrevet ved blot at overveje den faktiske afmagnetisering, der forekommer inden for hvert magnetisk domæne, som MBI-forskerne tidligere havde karakteriseret med laserbaserede eksperimenter.

I betragtning af den korte levetid for Co 3p-kerneniveauerne på omkring et kvart femtosekund, som er domineret af Auger-henfald, det er sandsynligt, at de varme elektroner, der genereres af Auger-kaskaden i samspil med efterfølgende elektronspredningsbegivenheder, fører til en omrokering af spin op og spin ned elektroner, der forbigående slukker magnetiseringen. Da denne reducerede magnetisering manifesterer sig inden for varigheden af ​​de anvendte røntgenimpulser (70 og 120 femtosekunder) og varer ved i meget længere tid, den sidste del af røntgenimpulsen interagerer med et domænemønster, hvor magnetiseringen faktisk er forsvundet. Dette er i tråd med observationen, at mindre reduktion af den magnetiske spredning observeres, når man rammer den magnetiske prøve med det samme antal røntgenfotoner inden for en kortere pulsvarighed (fig. 2). I modsætning, hvis stimuleret emission var den dominerende mekanisme, den modsatte adfærd ville forventes.

Ud over at præcisere mekanismen på arbejde, resultaterne har vigtige konsekvenser for fremtidige enkeltskudsforsøg på magnetiske materialer ved frie elektronrøntgenlasere. I lighed med situationen inden for strukturel biologi, hvor billeddannelse af proteinmolekyler ved hjælp af intense røntgenlaserimpulser kan hæmmes af ødelæggelsen af ​​molekylet under pulsen, forskere, der undersøger magnetiske nanostrukturer, skal også vælge fluens og pulsvarighed klogt i deres eksperimenter. Med fluensafhængigheden af ​​resonant magnetisk spredning kortlagt, forskere ved røntgenlasere har nu en guideline til at designe deres fremtidige eksperimenter derefter.