Sondare materiali magnetici con radiazioni ultraviolette estreme consente di ottenere un'immagine microscopica dettagliata di come i sistemi magnetici interagiscono con la luce, il modo più veloce per manipolare un materiale magnetico. Un team di ricercatori guidato dal Max Born Institute ha ora fornito le basi sperimentali e teoriche per interpretare tali segnali spettroscopici. I risultati sono stati pubblicati in Lettere di revisione fisica .

Lo studio dell'interazione tra luce e materia è uno dei modi più potenti per aiutare i fisici a comprendere il mondo microscopico. Nei materiali magnetici, una grande quantità di informazioni può essere recuperata dalla spettroscopia ottica in cui l'energia delle singole particelle di luce, i fotoni, promuove gli elettroni del guscio interno a energie più elevate. Questo perché un tale approccio consente di ottenere le proprietà magnetiche separatamente per i diversi tipi di atomi nel materiale magnetico e consente agli scienziati di comprendere il ruolo e l'interazione dei diversi costituenti. Questa tecnica sperimentale, chiamata spettroscopia di dicroismo circolare magnetico a raggi X (XMCD), è stato sperimentato alla fine degli anni '80 e in genere richiede una struttura su larga scala, una sorgente di radiazione di sincrotrone o un laser a raggi X.

Per studiare come la magnetizzazione risponde agli impulsi laser ultracorti, il modo più veloce per controllare in modo deterministico i materiali magnetici, negli ultimi anni sono diventate disponibili sorgenti di laboratorio su scala più piccola che forniscono impulsi ultracorti nella gamma spettrale dell'ultravioletto estremo (XUV). fotoni XUV, essere meno energico, eccitare elettroni meno fortemente legati nel materiale, ponendo nuove sfide per l'interpretazione degli spettri risultanti in termini di magnetizzazione sottostante nel materiale.

Un team di ricercatori del Max Born Institute di Berlino, insieme a ricercatori del Max-Planck-Institute for Microstructure Physics di Halle e dell'Università di Uppsala in Svezia, ha ora fornito un'analisi dettagliata della risposta magneto-ottica per i fotoni XUV. Hanno combinato esperimenti con calcoli ab initio, che prendono solo i tipi di atomi e la loro disposizione nel materiale come informazioni di input. Per i prototipi elementi magnetici ferro, cobalto e nichel, sono stati in grado di misurare in dettaglio la risposta di questi materiali alle radiazioni XUV. Gli scienziati scoprono che i segnali osservati non sono semplicemente proporzionali al momento magnetico nel rispettivo elemento, e che questa deviazione si riproduce in teoria quando si prendono in considerazione i cosiddetti effetti di campo locali. Sangeeta Sharma, che ha fornito la descrizione teorica, spiega:"Gli effetti di campo locali possono essere intesi come un riarrangiamento transitorio della carica elettronica nel materiale, causato dal campo elettrico della radiazione XUV utilizzata per l'indagine. La risposta del sistema a questa perturbazione deve essere presa in considerazione quando si interpretano gli spettri".

Questa nuova intuizione ora consente di districare quantitativamente segnali da elementi diversi in un unico materiale. "Poiché la maggior parte dei materiali magnetici funzionali è composta da diversi elementi, questa comprensione è fondamentale per studiare tali materiali, soprattutto quando siamo interessati alla risposta dinamica più complessa quando li si manipola con impulsi laser, "dice Felix Willems, il primo autore dello studio. "Combinando esperimento e teoria, siamo ora pronti a studiare come i processi microscopici dinamici possono essere utilizzati per ottenere l'effetto desiderato, come la commutazione della magnetizzazione su una scala temporale molto breve. Questo è di interesse sia fondamentale che applicato".