Elettroni su orbite diverse durante le tre rivoluzioni (blu, rosso e verde) passano attraverso diverse disposizioni del campo magnetico e quindi emettono impulsi di raggi X diversamente polarizzati. In confronto l'orbita regolare (nera). Credito:F. Armborst/K. Holdack
Presso l'anello di stoccaggio BESSY II, un team congiunto di fisici degli acceleratori, esperti e sperimentatori di ondulatori hanno mostrato come l'elicità della radiazione di sincrotrone polarizzata circolarmente può essere commutata più velocemente, fino a un milione di volte più velocemente di prima. Hanno usato un doppio ondulatore ellittico sviluppato da HZB e hanno azionato l'anello di immagazzinamento nella cosiddetta modalità a due orbite. Questa è una modalità di funzionamento speciale che è stata sviluppata solo di recente presso BESSY II e fornisce la base per una commutazione rapida. La variazione ultraveloce dell'elicità della luce è particolarmente interessante per osservare i processi nei materiali magnetici ed è stata a lungo attesa da una vasta comunità di utenti.
Nelle sorgenti di radiazione di sincrotrone come BESSY II, grappoli di elettroni orbitano attorno all'anello di accumulo quasi alla velocità della luce. Sono costretti ad emettere impulsi di luce estremamente luminosi con proprietà speciali da strutture magnetiche periodiche (ondulatori).
Gli ondulatori ellittici possono essere utilizzati anche per generare impulsi di luce polarizzata circolarmente, che mostrano una caratteristica chiamata elicità:la polarizzazione va in senso orario o antiorario. Le strutture magnetiche nei materiali reagiscono in modo diverso alla luce polarizzata circolarmente:a seconda dell'elicità degli impulsi a raggi X, assorbono più o meno questa radiazione.
Dagli anni '80, questo è stato sfruttato nei cosiddetti esperimenti XMCD (X-ray Circular Dichroism) per studiare i cambiamenti statici e dinamici nei materiali magnetici o per visualizzare le nanostrutture magnetiche sulle superfici.
Soprattutto per tali tecniche di imaging, la comunità degli utenti delle sorgenti di radiazione di sincrotrone desiderava da tempo la possibilità di cambiare rapidamente l'elicità della luce, principalmente perché ciò si traduce direttamente in un contrasto dell'immagine magnetica che rende visibili e quantificabili i bit nei dispositivi di memorizzazione dei dati magnetici.
Un'immagine a raggi X del fascio di elettroni in modalità TRIB in cui coesistono due orbite:l'orbita regolare e la seconda che si avvolge intorno ad essa chiudendosi solo dopo tre giri. Credito:F. Armborst/K. Holdack/HZB
Negli ondulatori ellittici tipici di BESSY II (APPLE II), sviluppato dal gruppo attorno a Johannes Bahrdt, l'elicità della luce è commutata da uno spostamento meccanico di disposizioni lunghe un metro di potenti magneti permanenti, un processo che a volte richiede fino a pochi minuti.
Il nuovo metodo, però, si basa sulla combinazione di tali ondulatori con un'orbita speciale del fascio di elettroni nell'anello di accumulo, generata dalle cosiddette TRIB (cestelli dell'isola di risonanza trasversale). I TRIB sono stati esplorati sperimentalmente dall'esperto di acceleratori Dr. Paul Goslawski presso BESSY II. Mentre il percorso degli elettroni nell'anello di accumulo normalmente si chiude dopo un'orbita, nella modalità TRIB gli elettroni corrono su orbite diverse durante orbite successive e possono quindi emettere impulsi a raggi X da diverse configurazioni di campo magnetico, suggerito il Dr. Karsten Holldack e il Dr. Johannes Bahrdt.
Di recente sono stati in grado di dimostrare che la loro idea funziona effettivamente con l'aiuto del doppio ondulatore UE56-2 esistente a BESSY II in un esperimento pilota:quando si passa attraverso una disposizione magnetica appositamente preparata di questo doppio ondulatore, i fasci di elettroni da orbite diverse in modalità TRIBs emettevano fotoni di raggi X con la stessa lunghezza d'onda ma polarizzazione circolare opposta.
Così, in linea di principio, I segnali XMCD da campioni magnetici possono ora essere studiati a intervalli di solo 1 microsecondo con impulsi di luce polarizzati circolarmente destra e poi sinistra. Nell'esperimento pilota i segnali XMCD da un campione magnetico (nichel in permalloy) sono stati rilevati da una rivoluzione all'altra e il rapido cambiamento di elicità (MHz) potrebbe essere chiaramente dimostrato. Con nuovi ondulatori su misura per questo scopo, linee di luce speciali con cambio di elicità ultraveloce potrebbero essere offerte a BESSY II in modalità TRIB. In definitiva, i tempi di commutazione potrebbero ridursi a nanosecondi.
"Siamo davvero lieti che lo sviluppo di Two-Orbit/TRIBs permetta ora già nuovi esperimenti a BESSY II", dice Goslawski. Questa sarebbe anche un'opzione interessante per BESSY III. I risultati sono stati ora pubblicati in Fisica delle comunicazioni naturali .
