Un nuovo modo di far funzionare il potente laser a raggi X presso il Laboratorio nazionale dell'acceleratore SLAC del Dipartimento dell'energia ha consentito ai ricercatori di rilevare e misurare le fluttuazioni nelle strutture magnetiche prese in considerazione per le nuove tecnologie di archiviazione e calcolo dei dati.

In un articolo pubblicato all'inizio di questo mese in Lettere di revisione fisica , una squadra guidata da Joshua Turner, scienziato del personale SLAC, e Sujoy Roy, scienziato del personale del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ha riferito di misurare le fluttuazioni di queste strutture, chiamati skyrmioni magnetici, con una risoluzione di un miliardesimo di secondo, 1, 000 volte meglio di quanto fosse stato possibile prima.

Catturare trame rotanti fluttuanti

Gli Skyrmion sono trame di spin di vortici multi-atomo in cui gli orientamenti di spin degli atomi cambiano da una direzione nel mezzo alla direzione opposta alla circonferenza. Si muovono facilmente in risposta a campi elettrici, che li rende interessanti per l'uso nelle tecnologie di archiviazione dei dati, memorie a registro di spostamento e tecnologie informatiche avanzate.

Gli aspetti di carica e spin degli atomi non sono rigidi. Rispondono a una serie di forze con vibrazioni e altri movimenti - chiamati collettivamente fluttuazioni - alcuni dei quali influenzano anche il movimento degli atomi stessi. I teorici hanno proposto di recente che le fluttuazioni possono avere ruoli chiave nel determinare come si comportano i materiali complessi, come nel fenomeno della superconduttività ad alta temperatura.

Fino ad ora, però, non c'era modo di analizzare le fluttuazioni di skyrmion nelle strutture a film sottile necessarie per le applicazioni tecnologiche. Questo nuovo risultato è stato reso possibile da una modalità "two-bucket" recentemente sviluppata per la creazione di coppie di impulsi di raggi X al laser a elettroni liberi Linac Coherent Light Source (LCLS) di SLAC che consente ai ricercatori di studiare i fenomeni di equilibrio che si verificano in periodi di tempo meno di un miliardesimo di secondo per la prima volta.

Mentre i singoli impulsi LCLS sono generalmente separati da circa 8 millesimi di secondo, la tecnica a due secchi crea coppie di impulsi che possono essere distanti fino a un terzo di miliardesimo di secondo. Quando ha saputo della modalità a due secchi due anni fa, Turner capì subito che sarebbe stato utile per misurare le fluttuazioni nei sistemi magnetici, come gli skyrmion.

"Prima di questo studio, gli scienziati hanno utilizzato LCLS per studiare la fisica del non equilibrio a tempi ancora più rapidi, "Ha spiegato Turner. "La nuova tecnica apre le porte a un'intera categoria di esperimenti che ora possono essere fatti in equilibrio a raggi X con laser a elettroni liberi".

Per caso, Roy, un amico di vecchia data di Turner, aveva usato raggi X molli all'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab per esaminare gli skyrmioni e le loro fluttuazioni, più recentemente in un materiale stratificato ferro-gadolinio cresciuto dal professore Eric Fullerton dell'UC-San Diego. I due hanno rapidamente deciso di utilizzare LCLS per vedere se, in collaborazione con Fullerton, potrebbe vedere rapide fluttuazioni di skyrmion usando lo stesso campione.

Usare i raggi X per scoprire i cambiamenti magnetici

Il processo di rilevamento utilizzato per visualizzare le fluttuazioni è chiamato spettroscopia di correlazione fotonica a raggi X. Far brillare un impulso ultracorto di raggi X coerenti sul campione produce uno schema di interferenza maculato che rappresenta le caratteristiche magnetiche del campione. Seguendo rapidamente con un secondo impulso si aggiunge un secondo modello di macchioline sopra il primo sullo stesso rilevatore. Qualsiasi fluttuazione farà sì che il secondo modello sia diverso, quindi il livello di sfocatura nell'immagine combinata indica l'entità delle fluttuazioni nel campione.

"Questa tecnica è simile alla misurazione del luccichio delle stelle per chiarire i dettagli della turbolenza nell'atmosfera terrestre, "Ha detto Turner. "In questo caso, l'obiettivo di misurare il "scintillio" dei raggi X rilevati è capire come la struttura magnetica del materiale sta fluttuando e come influisce sulle proprietà del materiale".

Una delle numerose sfide per effettuare queste misurazioni è stata la riduzione dell'intensità degli impulsi a raggi X di LCLS in modo che non creassero le proprie fluttuazioni nel campione. Varie tecniche alla fine hanno ridotto il flusso di raggi X che colpiscono il campione a un milionesimo dell'energia dell'impulso originale.

"Vogliamo solo solleticare il campione, "Ha detto Turner. "È molto diverso dal tipico esperimento LCLS 'pump-probe', dove gli intensi impulsi di raggi X possono, per disegno, modificare, o addirittura spazzare via i campioni."

Anche lo sviluppo di modi per misurare l'intensità dei raggi X degli impulsi di ciascuna coppia e dei loro intervalli di tempo e per rilevare così pochi fotoni nei modelli speckle era molto difficile, ha aggiunto Matt Seaberg, Scienziato dello staff associato dello SLAC e primo autore dell'articolo. I ricercatori hanno regolato il tempo tra gli impulsi di ciascuna coppia da una frazione di nanosecondo a 25 nanosecondi (un nanosecondo è un miliardesimo di secondo) e hanno anche sintonizzato un campo magnetico esterno per coprire una gamma di condizioni magnetiche nel campione.

"Si tratta di un modo completamente nuovo di eseguire questo tipo di misurazione, " ha detto Roy. "La risoluzione temporale è limitata dal tempo che separa i due impulsi che l'acceleratore produce".

Quando hanno sintonizzato il campo magnetico esterno in modo che fosse più ideale per gli skyrmioni nel campione, hanno visto che si verificano fluttuazioni con un periodo di circa 4 nanosecondi. Ma quando il campo magnetico è stato ridotto leggermente al punto in cui le strutture circolari di skyrmion iniziano a lasciare il posto a un'altra fase con strutture di domini magnetici a strisce, il periodo di fluttuazione è sceso a solo una frazione di nanosecondo.

"Questo risultato indica che le fluttuazioni sono più grandi e più rapide vicino al confine delle fasi skyrmion e stripe, " Joshua Turner ha detto. "Questa informazione è importante per decifrare il ruolo che giocano le fluttuazioni magnetiche come il materiale si trasforma da una fase all'altra. Ci consentirà inoltre di collegarci a modelli teorici utilizzati per capire come le fluttuazioni promuovono le transizioni di fase in una moltitudine di solidi magnetici e di tipo magnetico".

La cultura collegiale allo SLAC ha giocato un ruolo importante nel successo di questa ricerca, Turner ha aggiunto. Gli scienziati hanno lavorato a stretto contatto con i fisici degli acceleratori Jim Turner e Franz-Josef Decker, che ha ideato la tecnica dei due secchi.

"Tutto questo è avvenuto a causa della stretta relazione di lavoro tra i fisici LCLS dal lato dei raggi X insieme a quelli dal lato della fisica dell'acceleratore, " ha detto. "A volte non è chiaro come possiamo usare i loro incredibili sviluppi. Ma lavorare insieme ha reso questo sforzo molto fruttuoso".

La stessa squadra sta continuando a utilizzare le stesse tecniche per esaminare il materiale di Fullerton in modo più dettagliato, e il lavoro futuro previsto per questo inverno esplorerà altri materiali magneticamente complessi, come gli spin ice e i superconduttori ad alta temperatura.