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May 04, 2023

Déverrouiller les nanostructures secrètes des matériaux magnétiques avec le bon éclairage

Par Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI)Mai

Par Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI)26 mai 2023

Vue d'artiste de l'expérience XMCD. La lumière des rayons X mous provenant d'une source de plasma est d'abord polarisée circulairement par la transmission à travers un film magnétique. Par la suite, la magnétisation dans l'échantillon réel peut être déterminée avec précision. 1 crédit

Des chercheurs de l'Institut Max Born de Berlin ont réalisé pour la première fois avec succès des expériences de dichroïsme circulaire magnétique aux rayons X (XMCD) dans un laboratoire laser.

Percer les secrets des matériaux magnétiques nécessite le bon éclairage. Le dichroïsme circulaire magnétique aux rayons X permet de décoder l'ordre magnétique dans les nanostructures et de l'affecter à différentes couches ou éléments chimiques. Des chercheurs de l'Institut Max Born de Berlin ont réussi à mettre en œuvre cette technique de mesure unique dans le domaine des rayons X mous dans un laboratoire laser. Grâce à ce développement, de nombreuses questions technologiquement pertinentes peuvent désormais être étudiées en dehors des installations scientifiques à grande échelle pour la première fois.

Les nanostructures magnétiques font depuis longtemps partie de notre vie quotidienne, par exemple sous la forme de dispositifs de stockage de données rapides et compacts ou de capteurs très sensibles. Une contribution majeure à la compréhension de nombreux effets et fonctionnalités magnétiques pertinents est apportée par une méthode de mesure spéciale : le dichroïsme circulaire magnétique aux rayons X (XMCD).

Ce terme impressionnant décrit un effet fondamental de l'interaction entre la lumière et la matière : dans un matériau ferromagnétique, il y a un déséquilibre des électrons avec un certain moment cinétique, le spin. Si l'on fait briller une lumière polarisée circulairement, qui a également un moment cinétique défini, à travers un ferromagnétique, une nette différence de transmission pour un alignement parallèle ou antiparallèle des deux moments cinétiques est observable - un soi-disant dichroïsme.

Ce dichroïsme circulaire d'origine magnétique est particulièrement prononcé dans la région des rayons X doux (énergie de 200 à 2000 eV des particules lumineuses, correspondant à une longueur d'onde de seulement 6 à 0,6 nm), lorsque l'on considère les fronts d'absorption spécifiques à l'élément de transition des métaux comme le fer, le nickel ou le cobalt ainsi que des terres rares comme le dysprosium ou le gadolinium. Ces éléments sont particulièrement importants pour l'application technique des effets magnétiques.

L'effet XMCD permet de déterminer avec précision le moment magnétique des éléments respectifs, même dans les couches enterrées dans un matériau et sans endommager le système d'échantillonnage. Si le rayonnement de rayons X mous à polarisation circulaire se présente sous la forme d'impulsions femto à picosecondes (ps) très courtes, même les processus de magnétisation ultrarapides peuvent être surveillés sur l'échelle de temps appropriée. Jusqu'à présent, l'accès au rayonnement X requis n'était possible que dans des installations scientifiques à grande échelle, telles que des sources de rayonnement synchrotron ou des lasers à électrons libres (FEL), et était donc fortement limité.

La transmission moyenne à travers l'échantillon étudié aux bords d'absorption Fe L (points de données noirs) peut être mesurée avec précision et est bien décrite par une simulation (ligne noire). Aux deux maxima d'absorption, voir encarts, un dichroïsme important pour les deux directions différentes d'aimantation à saturation de l'échantillon est observable. Jusqu'à présent, de telles expériences n'ont été possibles que dans des installations à grande échelle. Crédit : Institut Max Born

A team of researchers around junior research group leader Daniel Schick at the Max Born Institute (MBI) in Berlin has now succeeded for the first time in realizing XMCD experiments at the absorption L edges of iron at a photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">énergie photonique d'environ 700 eV dans un laboratoire laser.

A laser-driven plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> une source de plasma a été utilisée pour générer la lumière de rayons X doux requise, en focalisant des impulsions laser optiques très courtes (2 ps) et intenses (200 mJ par impulsion) sur un cylindre de tungstène. Le plasma généré émet ainsi beaucoup de lumière en continu dans la gamme spectrale pertinente de 200-2000 eV à une durée d'impulsion inférieure à 10 ps. Cependant, en raison du processus de génération stochastique dans le plasma, une exigence très importante pour observer XMCD n'est pas remplie - la polarisation de la lumière des rayons X mous n'est pas circulaire, comme requis, mais complètement aléatoire, similaire à celle d'une lumière ampoule.

Par conséquent, les chercheurs ont utilisé une astuce : la lumière des rayons X traverse d'abord un filtre de polarisation magnétique dans lequel le même effet XMCD que celui décrit ci-dessus est actif. En raison de la transmission dichroïque dépendante de la polarisation, un déséquilibre des particules lumineuses avec un moment cinétique parallèle ou anti-parallèle par rapport à la magnétisation du filtre peut être généré. Après avoir traversé le filtre de polarisation, la lumière des rayons X doux partiellement polarisée de manière circulaire ou elliptique peut être utilisée pour l'expérience XMCD réelle sur un échantillon magnétique.

Asymétrie magnétique derrière le polariseur et l'échantillon examiné aux bords d'absorption Fe L. Les deux couleurs correspondent à des mesures avec une aimantation inversée du polariseur — la direction d'aimantation de l'échantillon est immédiatement évidente à partir du signe du dichroïsme observé (courbe bleue vs rouge). Les mesures peuvent être reproduites très précisément par des simulations (lignes). Crédit : Institut Max Born

Les travaux, publiés dans la revue scientifique OPTICA, démontrent que les sources de rayons X à base de laser rattrapent les installations à grande échelle. "Notre concept de génération de rayons X mous à polarisation circulaire est non seulement très flexible, mais aussi en partie supérieur aux méthodes conventionnelles de spectroscopie XMCD en raison de la nature à large bande de notre source lumineuse", déclare le premier auteur de l'étude et doctorant au MBI. , Martin Borchert. En particulier, la durée d'impulsion déjà démontrée des impulsions de rayons X générées de seulement quelques picosecondes ouvre de nouvelles possibilités pour observer et finalement comprendre même les processus de magnétisation très rapides, par exemple lorsqu'ils sont déclenchés par des flashs lumineux ultracourts.

Référence : "Spectroscopie de dichroïsme circulaire magnétique à rayons X sur les bords Fe L avec une source de plasma pilotée par laser picoseconde" par Martin Borchert, Dieter Engel, Clemens von Korff Schmising, Bastian Pfau, Stefan Eisebitt et Daniel Schick, 4 avril 2023, Optica .DOI : 10.1364/OPTICA.480221