Ultrasnelle magnetische gloed in metaaloxide

Wat gebeurt er als zeer korte pulsen van laserlicht een magnetisch materiaal raken? Een belangrijke internationale samenwerking onder leiding van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie is begonnen om deze vraag te beantwoorden. Zoals ik zojuist vermeldde in Proceedings van de National Academy of Sciences, onderdrukte de laser de magnetische opstelling over het hele materiaal gedurende enkele picoseconden, of biljoensten van een seconde. Begrijpen hoe magnetische correlaties veranderen op ultrasnelle tijdschalen is de eerste stap om magnetisme op toepassingsgerichte manieren te kunnen beheersen. Met een dergelijke controle kunnen we bijvoorbeeld sneller gegevens naar geheugenapparaten schrijven of de supergeleiding verbeteren (het fenomeen waarbij materie elektriciteit geleidt zonder energie te verliezen), wat vaak concurreert met andere toestanden zoals magnetisme.

Het bestudeerde materiaal was strontiumiridiumoxide (Sr.).₃Infrarood₂een₇), anti-magneet met dubbellaags kristal structuur en een grote magnetische variantie. In antimagneten, de magnetische momenten, of elektron spins, uitgelijnd in tegengestelde richtingen met aangrenzende rotaties. De anisotropie betekent dat de spins actieve kosten moeten betalen om in een willekeurige richting te draaien; Ze willen echt met hun gezicht naar boven of naar beneden in de kristalstructuur zitten. De röntgenverstrooiingsgroep van het Department of Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) van Brookhaven Laboratory heeft eerder dit materiaal bestudeerd (en zijn monolaagse zusterverbinding, Sr.₂IrO₄), dus begonnen ze deze studie met een goed begrip van de evenwichtstoestand.

“Te korte laserpulsen verstoren en vernietigen het systeem magnetische opstelling“, zei eerste auteur Daniel Mazon, een voormalig lid van de groep en nu een gereedschapswetenschapper in continue hoek multi-energieanalyse (kwam) een spectrometer aan het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland. “In deze studie waren we geïnteresseerd om te zien hoe het systeem ontspant tot zijn normale toestand. We wisten dat ontspanning plaatsvindt in een zeer snelle tijdschaal, en om een ​​afbeelding te maken van iets dat heel snel beweegt, hebben we zeer korte lichtpulsen nodig. een röntgenvrije elektronische laserbron, we kunnen pulsen genereren die kort genoeg zijn om de beweging van atomen en moleculen te zien.Deze bronnen zijn slechts op vijf plaatsen in de wereld te vinden – in de Verenigde Staten, Japan, Korea, Duitsland en Zwitserland. “

In deze studie voerde het team experimenten uit in twee van de vijf faciliteiten. Bij de SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser (SACLA) in Japan voerden ze tijdsopgeloste resonante röntgenverstrooiing (tr-REXS) uit. Bij het X-ray Pump Probe Instrument van de Linac Coherent Light Source – het Department of Energy’s Office of Science bij SLAC National Accelerator Laboratory – voerden wetenschappers inelastische röntgenverstrooiing (tr-RIXS) uit. Bij beide verstrooiingstechnieken treft de röntgenstraal (sonde) het materiaal vrijwel direct na de laserpuls (pomp). Door de energie en de hoek van de verstrooide lichtdeeltjes (fotonen) te meten, kunnen wetenschappers de elektronische samenstelling van het materiaal en dus de magnetische samenstelling bepalen. In dit geval is de röntgenenergie afgestemd om gevoelig te zijn voor de elektronen rond de iridiumatomen, die het magnetisme van dit materiaal aandrijven. Terwijl tr-REXS de mate van magnetische ordening op lange afstand kan detecteren, kan tr-RIXS een beeld geven van lokale magnetische interacties.

“Om het gedetailleerde rotatiegedrag te observeren, moeten we de energieverandering in de röntgenstralen met een zeer hoge nauwkeurigheid meten”, legt co-auteur Mark Dean uit, een natuurkundige in de röntgenverstrooiingsgroep op de CMPMS-afdeling. “Hiervoor hebben we bij SLAC een gemotoriseerde röntgenspectrometer gebouwd en geïnstalleerd.”

Hun gegevens onthulden hoe magnetische interacties niet alleen lokaal maar alomtegenwoordig worden onderdrukt. Deze picosecondeonderdrukking gaat door voordat het magnetische systeem terugkeert naar zijn oorspronkelijke antimagnetische toestand.

“Het dubbellaagse systeem heeft geen effectieve, goedkope methoden voor magnetische toestandvervorming”, legt Dean uit. “Het zit vast in dit knelpunt waar magnetisme uit evenwicht is en niet herstelt, althans niet zo snel als in een monolaagsysteem.”

“Voor de meeste toepassingen, zoals gegevensopslag, wil je snel magnetisch schakelen”, voegt Mazzone toe. “Ons onderzoek suggereert systemen waarin de wikkelingen kunnen wijzen in welke richting het beste is om magnetisme te manipuleren.”

Vervolgens is het team van plan om naar gerelateerde materialen te kijken en hoopt het magnetisme op meer gerichte manieren te manipuleren – bijvoorbeeld door te veranderen hoe sterk het “praat” tussen twee aangrenzende spins.

“Als we de afstand tussen twee ronden zouden kunnen veranderen en zien hoe dat hun interactie beïnvloedt, zou dat echt gaaf zijn”, zei Mazzoni. “Door te begrijpen hoe magnetisme evolueert, kunnen we het aanpassen en mogelijk nieuwe toestanden creëren.”