Gli spin ice artificiali (ASI) sono metamateriali magnetici con proprietà esotiche che dipendono dalle loro geometrie. Negli ultimi anni, molti fisici hanno studiato questi materiali, poiché le loro proprietà uniche potrebbero essere vantaggiose per una serie di applicazioni.

Ricercatori dell'Università del Kentucky, Laboratorio Nazionale Argonne, Il Lawrence Berkeley National Laboratory e altri istituti negli Stati Uniti hanno recentemente introdotto un metodo per ottenere il momento angolare orbitale dei raggi X commutabile (OAM) nei sistemi magnetici ASI. Il loro approccio, presentato in un articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica , potrebbe aprire la strada a nuove ricerche che studino le proprietà dei sistemi magnetici, ferroelettrici, sistemi chirali e nanostrutture.

"Sono molto interessato al tema dei fotoni che trasportano il momento angolare orbitale (OAM), "Sujoy Roy, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Nella comunità della luce visibile c'è stato molto lavoro in questo settore, ma nel caso dei raggi X ci sono state segnalazioni limitate. Così, abbiamo iniziato a esaminarlo e siamo stati i primi a generare con successo OAM che trasportano fasci di raggi X morbidi".

In un precedente articolo pubblicato su Fotonica della natura , Roy e i suoi colleghi hanno dimostrato di poter generare con successo fasci di raggi X molli che trasportano OAM fabbricando un reticolo specializzato con una dislocazione a forcella. Successivamente, mentre stavano ricercando ASI quadrati 2D, hanno iniziato a studiare la generazione di travi OAM nei casi in cui il reticolo quadrato di un materiale ha un difetto della forcella.

"Questo è stato particolarmente interessante perché il nostro reticolo era magnetico; quindi si dispone antiferromagneticamente al di sotto della temperatura di ordinazione, " ha detto Roy. "Ora la domanda è, se introduciamo una forchetta, cosa succede all'antiferromagnete? Il campione va ancora in uno stato antiferromagnetico? Dopo una serie di discussioni e brainstorming all'interno del gruppo, siamo giunti alla conclusione che inserendo una doppia lussazione, il campione sarà ancora in grado di passare a uno stato antiferromagnetico".

Gli ASI sono array modellati di nanomagneti che hanno alcune proprietà comuni con il ghiaccio d'acqua. Gli ASI possono spesso essere "frustrati, " il che significa essenzialmente che i magneti contenuti al loro interno non possono allinearsi con i loro vicini in modi che minimizzerebbero l'energia coinvolta nelle loro interazioni. Come osservò Linus Pauling nel 1935, gli atomi di idrogeno nel ghiaccio d'acqua sono tipicamente disposti in modo simile.

Circa un decennio fa, i fisici hanno dimostrato che gli ASI quadrati, studiato per la prima volta da un gruppo di ricerca della Penn State University, non sono in realtà "frustrati, " ma entrano invece in uno stato fondamentale antiferromagnetico ben ordinato. Questo è stato previsto per la prima volta nel 2006 da Möller e Moessner e dimostrato sperimentalmente nel 2011 da Christopher Marrows e dai suoi colleghi dell'Università di Leeds. Quando si trovano in uno stato fondamentale antiferromagnetico, i magneti nel reticolo sono orientati in modo tale da annullarsi, in modo che non vi sia magnetizzazione netta dell'ASI.

"Da tempo lavoriamo nel campo degli spin ice artificiali (ASI) in collaborazione con il professor Lance De Long dell'Università del Kentucky, "Todd Hastings, un altro ricercatore coinvolto nel recente studio, ha detto a Phys.org. "Un altro gruppo, guidato da John Cumings presso l'Università del Maryland, ha mostrato che l'introduzione di una dislocazione a forcella (carica topologica 1) in un quadrato ASI reintroduce la frustrazione e impedisce la formazione di un singolo stato fondamentale antiferromagnetico. Il nostro team ha riconosciuto che l'introduzione di una dislocazione a doppia forcella (carica topologica 2) potrebbe potenzialmente consentire la riforma dello stato fondamentale antiferromagnetico".

Nell'ASI esaminato da Roy, Hastings e i loro colleghi, la carica topologica (cioè, numero del difetto della forcella) nella struttura è 2, mentre quello dell'antiferromagnete è 1, portando a due diverse cariche topologiche in un unico sistema. Oltre ad esplorare come l'introduzione e la rimozione della frustrazione possa modificare la carica di un singolo difetto nei sistemi quadrati ASI, i ricercatori hanno esaminato come i raggi X si sarebbero diffusi da queste strutture.

"Per un po 'di tempo, stavamo pensando a come creare fasci di raggi X con OAM che potessero essere accesi e spenti, " Ha spiegato Hastings. "L'OAM che trasporta la luce può far orbitare piccoli oggetti intorno al centro del raggio e ha consentito applicazioni diverse come la crittografia quantistica, pinzette ottiche, e telecomunicazioni. Mentre l'OAM a raggi X è molto meno comune, può essere creato per diffrazione da strutture con difetti della forcella. Abbiamo quindi ipotizzato che i raggi X diffusi da ASI quadrati con difetti biforcuti avrebbero portato anche OAM".

Un gruppo di ricerca guidato da Laura Heyderman all'ETH di Zurigo e al Paul Scherrer Institute ha dimostrato che applicando un campo magnetico esterno agli ASI quadrati, potrebbero essere posti in uno stato ferromagnetico, in cui tutti i nanomagneti sono orientati nella stessa direzione. Ispirato da questo lavoro precedente, Roy e Hastings hanno ipotizzato che un campo magnetico applicato potrebbe anche spegnere i raggi OAM dispersi magneticamente, e che questi raggi si riaccendessero quando il sistema tornasse al suo stato fondamentale.

"Con questo, l'intero quadro è venuto insieme a un sistema in grado di produrre fasci di raggi X con momenti angolari orbitali di ordine diverso e in cui i fasci magneticamente dispersi potrebbero essere attivati ​​e disattivati, "Ha detto Hastings.

I raggi X tendono ad essere sensibili alla densità di un materiale, ma non molto sensibile al momento magnetico. Per ottenere raggi X sensibili ai segnali magnetici, i ricercatori hanno impiegato una tecnica chiamata Resonant X-ray Magnetic Scattering (RXMS), con un raggio coerente (cioè, uno con ampiezza e fase ben definite). Questa tecnica ha permesso loro di ottenere una maggiore sensibilità magnetica, sintonizzando l'energia del raggio incidente sul bordo di assorbimento di un elemento.

"Nel nostro caso, ci siamo sintonizzati sul bordo L3 del ferro che è a 707 eV (per riferimento, La radiazione Cu K alfa è 8 keV) e poi abbiamo diffratto usando un raggio di raggi X coerente, " ha spiegato Roy. "A causa della coerenza del raggio, la fase del fascio diffratto ha agito coerentemente, in modo che l'intero raggio uscente acquisisse un fronte di fase elicoidale che diede origine a OAM."

Quando i ricercatori eseguono un esperimento di diffrazione utilizzando tecniche RXMS, possono osservare forti picchi a determinati angoli che soddisfano la condizione di Bragg, dove i raggi X diffusi interferiscono in modo costruttivo. Poiché la spaziatura del reticolo negli antiferromagneti è doppia rispetto a quella dei reticoli strutturali, il picco antiferromagnetico appare generalmente in una posizione diversa. Questa differenza di posizione aiuta i ricercatori a distinguere tra picchi di carica e di diffrazione magnetica.

"Quando diffrangeremo l'array 2D biforcuto, otteniamo fasci OAM sia ai picchi di Bragg strutturali che ai picchi di Bragg magnetici, " ha detto Roy. "Tuttavia, a causa delle due diverse cariche topologiche, vediamo un diverso contenuto di OAM nei picchi di Bragg strutturali e magnetici. Per di più, come possiamo controllare lo spin ice artificiale con un campo applicato, questo implicava che saremmo stati in grado di controllare il contenuto OAM del raggio."

I nanomagneti negli ASI usati da Roy, Hastings e i loro colleghi erano fatti di permalloy, una lega di nichel e ferro. Per creare il sistema che hanno esaminato, i ricercatori hanno scritto un modello in un polimero su un wafer di silicio, utilizzando una tecnica chiamata litografia a fascio di elettroni.

"Il nostro campione è stato quindi rivestito con permalloy facendo evaporare il materiale sotto vuoto (evaporazione a fascio di elettroni) permettendogli di depositarsi sul modello, "Ha detto Hastings. "In seguito, abbiamo rimosso il polimero e la permalloy che si trovavano sopra le regioni non modellate (un cosiddetto processo di sollevamento). Ogni nanomagnete era lungo 470 nm, 170 nm di larghezza, e solo 3 nm di spessore. Un capello umano è circa 100, 000 nm di diametro, quindi se metti in piedi questi magneti, circa 15 milioni di loro starebbero sulla punta di un capello umano".

Quando i fasci di raggi X sono stati diffratti con l'angolo corretto e quando il fascio è stato sintonizzato sul bordo magnetico L3 del ferro, i ricercatori hanno scoperto che il sistema ASI che hanno esaminato è entrato in uno stato fondamentale antiferromagnetico. Successivamente hanno confermato la presenza di questo stato mediante l'imaging diretto della magnetizzazione dei nanomagneti nel sistema, utilizzando una tecnica nota come microscopia elettronica a fotoemissione di dicroismo circolare magnetico a raggi X (XMCD-PEEM). Utilizzando questa tecnica, hanno illuminato l'ASI con raggi X e catturato gli elettroni emessi dai nanomagneti in un microscopio elettronico.

"Durante gli esperimenti di diffusione dei raggi X, abbiamo riscaldato il campione fino a circa 100°C per mostrare che i fasci magneticamente diffusi potevano essere spenti con la temperatura mentre l'ASI passava dall'ordine antiferromagnetico a uno stato paramagnetico, "Ha detto Hastings. "È interessante che il permalloy stesso non diventi paramagnetico fino a circa 600° C, quindi l'ASI sta imitando un paramagnete mentre il permalloy rimane ferromagnetico."

I ricercatori hanno anche applicato un campo magnetico all'ASI che hanno esaminato per orientare tutti i suoi magneti nella stessa direzione. Invece di ruotare nel campo magnetico esterno, i nanomagneti hanno cambiato internamente la loro direzione di magnetizzazione. I ricercatori hanno scoperto che una volta che l'ASI non era più nello stato fondamentale antiferromagnetico, i raggi X a raggi X magneticamente diffusi sono scomparsi.

"Finora, la generazione del fascio OAM in regime di raggi X era un compito non banale, " disse Roy. "Ora che possiamo generare questi raggi e avere anche un modo per controllarli, apre nuove possibilità. Ad esempio, questi fasci possono essere usati per studiare le strutture topologiche di spin nei sistemi magnetici, vortici polari nei ferroelettrici, sistemi chirali e nanostrutture".

L'approccio per generare un OAM a raggi X commutabile da ASI ideato da Roy, Hastings ei suoi colleghi potrebbero avere numerose applicazioni interessanti. Oltre a informare nuovi studi che esaminano vari materiali, potrebbe aprire nuove possibilità per l'uso dei raggi X nella scienza dell'informazione quantistica. Inoltre, utilizzando i metodi impiegati da questo gruppo di ricerca, i fisici potrebbero identificare altri materiali che potrebbero essere utilizzati per generare fasci di raggi X su misura.

"La capacità di generare OAM a raggi X controllabili fornisce un nuovo entusiasmante strumento per lo studio di altri materiali, "Ha detto Hastings. "Il nostro studio fornisce anche alcune informazioni su come si comportano gli spin ice artificiali in presenza dei cosiddetti difetti topologici. Questo è, ora sappiamo che gli ASI quadrati privi di difetti non sono frustrati e ordinano in modo antiferromagnetico, che difetti con carica topologica di uno introducano frustrazione, e i difetti della carica topologica due rimuovono la frustrazione."

Roy, Hastings ei suoi collaboratori stanno ora cercando di determinare se i fasci generati nei loro esperimenti sono sensibili a caratteristiche specifiche di altri materiali. Se questo è il caso, le loro scoperte potrebbero creare nuovi percorsi e orizzonti per la ricerca che esplora diversi sistemi materiali.

"Oltre ad applicare fasci di raggi X OAM per studiare altri materiali, stiamo anche studiando ASI più complesse in grado di generare diversi fasci OAM, esplorando nuovi modi per cambiare OAM, e cercando di apprendere in modo più dettagliato come i difetti topologici influenzino il comportamento degli ASI, "Ha detto Hastings.

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