En ny metode til at generere og kontrollere orbitale vinkelmomentstråler

Kunstige spin-is (ASI'er) er magnetiske metamaterialer med eksotiske egenskaber, der er afhængige af deres geometrier. I løbet af de sidste par år, mange fysikere har studeret disse materialer, da deres unikke egenskaber kan være fordelagtige til en række anvendelser.

Forskere ved University of Kentucky, Argonne National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory og andre institutter i USA har for nylig introduceret en metode til at opnå switchable X-ray orbital angular momentum (OAM) i ASI magnetiske systemer. Deres tilgang, præsenteret i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne bane vejen for ny forskning, der undersøger magnetiske systemers egenskaber, ferroelektrik, chirale systemer og nanostrukturer.

"Jeg er meget interesseret i emnet fotoner, der bærer orbital vinkelmoment (OAM), "Sujoy Roy, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I det synlige lys samfund har der været meget arbejde på dette område, men i tilfælde af røntgen har der været begrænsede rapporter. Så, vi begyndte at undersøge det, og vi var de første, der med succes genererede OAM med bløde røntgenstråler."

I et tidligere papir udgivet i Naturfotonik , Roy og hans kolleger viste, at de med succes kunne generere OAM-bærende bløde røntgenstråler ved at fremstille et specialiseret gitter med en gaffelforskydning. Efterfølgende mens de forskede i 2D kvadratiske ASI'er, de begyndte at undersøge genereringen af ​​OAM-bjælker i tilfælde, hvor et materiales firkantede gitter har en gaffeldefekt.

"Dette var særligt interessant, fordi vores gitter var magnetisk; således arrangerer det sig antiferromagnetisk under bestillingstemperaturen, " sagde Roy. "Nu er spørgsmålet, hvis vi introducerer en gaffel, hvad sker der med antiferromagneten? Går prøven stadig i en antiferromagnetisk tilstand? Efter en række diskussioner og brainstorming i gruppen, vi kom til den konklusion, at ved at indsætte en dobbelt dislokation, prøven vil stadig være i stand til at gå til en antiferromagnetisk tilstand."

ASI'er er mønstrede arrays af nanomagneter, der har nogle fælles egenskaber med vandis. ASI'er kan ofte være "frustrerede, "hvilket i bund og grund betyder, at magneter indeholdt i dem ikke kan tilpasse sig deres naboer på måder, der ville minimere energien involveret i deres interaktioner. Som Linus Pauling bemærkede i 1935, brintatomer i vandis er typisk arrangeret på lignende måde.

For omkring et årti siden, fysikere viste, at kvadratiske ASI'er, først studeret af et forskerhold ved Penn State University, er faktisk ikke "frustrerede, " men de går i stedet ind i en velordnet antiferromagnetisk grundtilstand. Dette blev først forudsagt i 2006 af Möller og Moessner og eksperimentelt demonstreret i 2011 af Christopher Marrows og hans kolleger ved University of Leeds. Når de er i en antiferromagnetisk grundtilstand, magneterne i gitteret er orienteret på en sådan måde, at de udligner, så der ikke sker en nettomagnetisering af ASI.

"Vi har arbejdet med kunstige spin-is (ASI'er) i nogen tid i samarbejde med professor Lance De Long ved University of Kentucky, "Todd Hastings, en anden forsker involveret i den nylige undersøgelse, fortalte Phys.org. "En anden gruppe, ledet af John Cumings ved University of Maryland, viste, at indførelsen af ​​en gaffeldislokation (topologisk ladning 1) i en kvadratisk ASI genindfører frustration og forhindrer dannelsen af ​​en enkelt antiferromagnetisk grundtilstand. Vores team erkendte, at indførelsen af ​​en dobbeltgaffelforskydning (topologisk ladning 2) potentielt kunne tillade den antiferromagnetiske grundtilstand at reformere."

I ASI undersøgt af Roy, Hastings og deres kolleger, den topologiske ladning (dvs. nummeret på gaffelfejlen) i strukturen er 2, mens antiferromagneten er 1, fører til to forskellige topologiske ladninger i et enkelt system. Ud over at udforske, hvordan introduktion og fjernelse af frustration kan ændre ladningen af ​​en enkelt defekt i kvadratiske ASI-systemer, forskerne så på, hvordan røntgenstråler ville spredes fra disse strukturer.

"I nogen tid, vi havde tænkt på, hvordan man kunne lave røntgenstråler med OAM, der kunne tændes og slukkes, Hastings forklarede. "Lysbærende OAM kan få små objekter til at kredse om midten af ​​strålen og har muliggjort applikationer så forskellige som kvantekryptografi, optisk pincet, og telekommunikation. Mens røntgen-OAM er meget mindre almindelig, det kan skabes ved diffraktion fra strukturer med gaffeldefekter. Vi antog således, at røntgenstråler spredt fra firkantede ASI'er med gaffeldefekter også ville bære OAM."

Et forskerhold ledet af Laura Heyderman ved ETH Zürich og Paul Scherrer Institute viste, at ved at anvende et eksternt magnetfelt på kvadratiske ASI'er, de kan placeres i en ferromagnetisk tilstand, hvor alle nanomagneter er orienteret i samme retning. Inspireret af dette tidligere arbejde, Roy og Hastings antog, at et påført magnetfelt også kunne slukke magnetisk spredte OAM-stråler, og at disse stråler ville tænde igen, når systemet vendte tilbage til sin jordtilstand.

"Med dette, hele billedet kom sammen af ​​et system, der kunne producere røntgenstråler med forskellige ordens orbitale vinkelmomenter, og hvor de magnetisk spredte stråler kunne tændes og slukkes, " sagde Hastings.

Røntgenstråler har en tendens til at være følsomme over for tætheden af ​​et materiale, men ikke særlig følsom over for magnetiske momenter. For at opnå røntgenstråler, der er følsomme over for magnetiske signaler, forskerne brugte en teknik kaldet Resonant X-ray Magnetic Scattering (RXMS), med en sammenhængende stråle (dvs. en med en veldefineret amplitude og fase). Denne teknik tillod dem at opnå højere magnetisk følsomhed, ved at indstille energien fra den indfaldende stråle til et elements absorptionskant.

"I vores tilfælde, vi indstillede til L3-kanten af ​​jern, som er på 707 eV (til reference, Cu K alfa-stråling er 8 keV), og så afbøjede vi ved hjælp af en sammenhængende røntgenstråle, " forklarede Roy. "På grund af strålesammenhængen, fasen af ​​den diffrakterede stråle virkede kohærent, så hele den udgående stråle fik en spiralformet fasefront, der gav anledning til OAM."

Når forskere udfører et diffraktionseksperiment ved hjælp af RXMS-teknikker, de kan observere stærke toppe i visse vinkler, der opfylder Bragg-betingelserne, hvor de spredte røntgenstråler interfererer konstruktivt. Da gitterafstanden i antiferromagneter er dobbelt så stor som strukturelle gitter, den antiferromagnetiske top vises generelt i en anden position. Denne forskel i position hjælper forskere med at skelne mellem ladnings- og magnetiske diffraktionstoppe.

"Når vi diffrakterer det forklede 2D-array, vi får OAM-stråler både ved strukturelle Bragg-toppe og magnetiske Bragg-toppe, " sagde Roy. "Men, på grund af de to forskellige topologiske ladninger, vi ser forskelligt OAM-indhold i de strukturelle og magnetiske Bragg-toppe. Desuden, da vi kan kontrollere den kunstige spin-is med et anvendt felt, dette indebar, at vi ville være i stand til at kontrollere OAM-indholdet i strålen."

Nanomagneterne i ASI'erne brugt af Roy, Hastings og deres kolleger var lavet af permalloy, en legering af nikkel og jern. For at skabe det system, de undersøgte, forskerne skrev et mønster i en polymer på en siliciumwafer, ved hjælp af en teknik kaldet elektronstrålelitografi.

"Vores prøve blev derefter belagt med permalloy ved at fordampe materialet i vakuum (elektronstrålefordampning), hvilket tillod det at afsætte over mønsteret, " sagde Hastings. "Derefter, vi fjernede polymeren og permalloyen, der hvilede oven på de umønstrede områder (en såkaldt lift-off-proces). Hver nanomagnet var 470 nm lang, 170 nm bred, og kun 3 nm tyk. Et menneskehår er omkring 100, 000 nm i diameter, så hvis du stod disse magneter på ende, omkring 15 millioner af dem ville passe på enden af ​​et menneskehår."

Når røntgenstråler blev diffrakteret i den rigtige vinkel, og når strålen blev indstillet til den magnetiske L3-kant af jern, fandt forskerne ud af, at det ASI-system, de undersøgte, gik ind i en antiferromagnetisk grundtilstand. De bekræftede senere tilstedeværelsen af ​​denne tilstand ved direkte at afbilde magnetiseringen af ​​nanomagneterne i systemet, ved hjælp af en teknik kendt som røntgenmagnetisk cirkulær dikroisme fotoemissionselektronmikroskopi (XMCD-PEEM). Ved at bruge denne teknik, de belyste ASI med røntgenstråler og fangede elektronerne udsendt fra nanomagneterne i et elektronmikroskop.

"Under røntgenspredningsforsøgene, vi varmede prøven op til omkring 100°C for at vise, at de magnetisk spredte stråler kunne slukkes med temperaturen, da ASI skiftede fra antiferromagnetisk orden til en paramagnetisk tilstand, " sagde Hastings. "Det er interessant, at selve permalloyen ikke bliver paramagnetisk før omkring 600 ° C, så ASI imiterer en paramagnet, mens permalloyen forbliver ferromagnetisk."

Forskerne anvendte også et magnetfelt på den ASI, de undersøgte, for at orientere alle dens magneter i samme retning. I stedet for at rotere i det eksterne magnetfelt, nanomagneterne ændrede deres magnetiseringsretning internt. Forskerne fandt ud af, at når ASI ikke længere var i den antiferromagnetiske grundtilstand, de magnetisk spredte røntgen-OAM-stråler forsvandt.

"Indtil nu, generering af OAM-stråle i røntgenregime var en ikke-triviel opgave, " sagde Roy. "Nu hvor vi kan generere disse stråler og også have en måde at kontrollere dem på, det åbner op for nye muligheder. For eksempel, disse stråler kan bruges til at studere topologiske spin teksturer i magnetiske systemer, polære hvirvler i ferroelektrik, chirale systemer og nanostrukturer."

Fremgangsmåden til at generere en omskiftelig røntgen-OAM fra ASI'er udtænkt af Roy, Hastings og deres kolleger kunne have adskillige interessante applikationer. Ud over at informere om nye undersøgelser, der undersøger forskellige materialer, det kunne åbne op for nye muligheder for brugen af ​​røntgenstråler i kvanteinformationsvidenskab. I øvrigt, ved at bruge de metoder, der anvendes af dette forskerhold, fysikere kunne identificere andre materialer, der kunne bruges til at generere skræddersyede røntgenstråler.

"Evnen til at generere kontrollerbar røntgen-OAM giver et spændende nyt værktøj til at studere andre materialer, " sagde Hastings. "Vores undersøgelse giver også en vis indsigt i, hvordan kunstige spin ices opfører sig i nærværelse af såkaldte topologiske defekter. Det er, nu ved vi, at defektfri firkantede ASI'er ikke er frustrerede og bestiller antiferromagnetisk, at defekter med topologisk ladning af én introducerer frustration, og defekter i topologisk ladning 2 fjerner frustration."

Roy, Hastings og deres samarbejdspartnere forsøger nu at afgøre, om strålerne, der genereres i deres eksperimenter, er følsomme over for specifikke træk ved andre materialer. Hvis dette er tilfældet, deres resultater kunne skabe nye veje og horisonter for forskning, der udforsker forskellige materialesystemer.

"Ud over at anvende røntgen-OAM-stråler til at studere andre materialer, vi studerer også mere komplekse ASI'er, der kan generere forskellige OAM-stråler, udforske nye måder at skifte OAM på, og forsøger at lære, hvordan topologiske defekter påvirker adfærden af ​​ASI'er mere detaljeret, " sagde Hastings.

© 2021 Science X Network