Oplyser ultrahurtig magnetisme i en metaloxid

Hvad sker der, når meget korte pulser af laserlys rammer et magnetisk materiale? Et stort internationalt samarbejde ledet af det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory satte sig for at besvare netop dette spørgsmål. Som de lige har rapporteret i Proceedings of the National Academy of Sciences , laseren undertrykte den magnetiske orden over hele materialet i flere picosekunder, eller billioner af et sekund. At forstå, hvordan magnetiske korrelationer ændrer sig på ultrahurtige tidsskalaer, er det første skridt i at kunne kontrollere magnetisme på anvendelsesorienterede måder. For eksempel, med en sådan kontrol, vi kan muligvis hurtigere skrive data til hukommelsesenheder eller forbedre superledningsevnen (det fænomen, hvor et materiale leder elektricitet uden energitab), som ofte konkurrerer med andre stater som magnetisme.

Det undersøgte materiale var strontium iridiumoxid (Sr ₃ Ir ₂ O ₇ ), en antiferromagnet med en tolags krystalstruktur og en stor magnetisk anisotropi. I en antiferromagnet, de magnetiske øjeblikke, eller elektronspin, juster i modsatte retninger til nabospin. Anisotropi betyder, at spins skal betale en energisk omkostning for at rotere i enhver tilfældig retning; de vil rigtig gerne sidde pegende opad eller nedad i krystalstrukturen. Røntgenspredningsgruppen fra Brookhaven Labs afdeling for kondenseret stoffysik og materialevidenskab (CMPMS) har tidligere studeret dette materiale (og en enkeltlags søsterforbindelse, Sr ₂ IrO ₄ ), så de gik ind i denne undersøgelse med en god forståelse af dens ligevægtstilstand.

"De meget korte laserimpulser forstyrrer systemet, ødelægge dens magnetiske orden, " sagde førsteforfatter Daniel Mazzone, tidligere gruppemedlem og nu instrumentforsker ved Continuous Angle Multiple Energy Analysis (CAMEA) spektrometer ved Paul Scherrer Instituttet i Schweiz. "I dette studie, vi var interesserede i at se, hvordan systemet slapper af tilbage til sin normale tilstand. Vi vidste, at afslapningen sker på en meget hurtig tidsskala, og at tage et billede af noget, der bevæger sig meget hurtigt, vi har brug for meget korte lysimpulser. Med en røntgenfri-elektronlaserkilde, vi kan generere impulser, der er korte nok til at se bevægelsen af ​​atomer og molekyler. Sådanne kilder findes kun fem steder rundt om i verden - i USA, Japan, Korea, Tyskland, og Schweiz."

I dette studie, holdet kørte eksperimenter på to af de fem faciliteter. På SPring-8 Angstrom Compact free-electron Laser (SACLA) i Japan, de udførte tidsopløst resonant elastisk røntgenspredning (tr-REXS). Ved røntgenpumpe-probe-instrumentet i Linac Coherent Light Source - en DOE Office of Science brugerfacilitet ved SLAC National Accelerator Laboratory - udførte forskerne tidsopløst resonant uelastisk røntgenspredning (tr-RIXS). I begge spredningsteknikker, Røntgenstråler (sonde) rammer materialet næsten umiddelbart efter laserimpulsen (pumpen). Ved at måle energien og vinklen af ​​spredte lyspartikler (fotoner), forskere kan bestemme materialets elektroniske struktur og dermed magnetiske konfiguration. I dette tilfælde, røntgenenergien blev indstillet til at være følsom over for elektronerne omkring iridiumatomer, som driver magnetisme i dette materiale. Mens tr-REXS kan afsløre graden af ​​langtrækkende magnetisk orden, tr-RIXS kan give et billede af lokale magnetiske interaktioner.

"For at observere den detaljerede adfærd af spins, vi skal måle energiændringen af ​​røntgenstrålerne med meget høj præcision, " forklarede co-korrespondrende forfatter Mark Dean, en fysiker i CMPMS Division X-ray Scattering Group. "For at gøre det, vi byggede og installerede et motoriseret røntgenspektrometer hos SLAC."

Deres data afslørede, hvordan magnetiske interaktioner undertrykkes ikke kun lokalt, men overalt. Denne undertrykkelse varer ved i picosekunder, før den magnetiske orden vender tilbage til sin oprindelige antiferromagnetiske tilstand.

"Tolagssystemet har ikke energisk billige måder at deformere den magnetiske tilstand på, " forklarede Dean. "Det sætter sig fast i denne flaskehals, hvor magnetismen er ude af ligevægt og ikke kommer sig, i hvert fald ikke så hurtigt som i monolagsystemet."

"For de fleste applikationer, såsom datalagring, du ønsker hurtig magnetisk skift, " tilføjede Mazzone. "Vores forskning tyder på systemer, hvor spins kan pege i den retning, der er bedre til at manipulere magnetisme."

Næste, holdet planlægger at se på relaterede materialer og håber at manipulere magnetisme på mere målrettede måder - f.eks. ændrer hvor stærkt to nabospin "taler med" hinanden.

"Hvis vi kan ændre afstanden mellem to spins og se, hvordan det påvirker deres interaktion, det ville være rigtig fedt, " sagde Mazzone. "Med en forståelse af, hvordan magnetisme udvikler sig, vi kunne justere det, måske generere nye stater."