Gli scienziati hanno colpito un materiale cristallino con impulsi ultraveloci di luce laser e poi hanno usato i raggi X per sondare come cambia il suo ordine magnetico. Credito immagine:Cameron Dashwood, University College London.
Cosa succede quando impulsi molto brevi di luce laser colpiscono un materiale magnetico? Una grande collaborazione internazionale guidata dal Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha cercato di rispondere proprio a questa domanda. Come hanno appena riportato nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , l'ordine magnetico soppresso dal laser attraverso l'intero materiale per diversi picosecondi, o trilionesimi di secondo. Comprendere come cambiano le correlazioni magnetiche su scale temporali ultraveloci è il primo passo per essere in grado di controllare il magnetismo in modi orientati all'applicazione. Per esempio, con tale controllo, potremmo essere in grado di scrivere più rapidamente dati su dispositivi di memoria o migliorare la superconduttività (il fenomeno in cui un materiale conduce elettricità senza perdita di energia), che spesso compete con altri stati come il magnetismo.
Il materiale studiato era stronzio iridio ossido (Sr 3 Ir 2 oh 7 ), un antiferromagnete con una struttura cristallina a doppio strato e una grande anisotropia magnetica. In un antiferromagnete, i momenti magnetici, o spin di elettroni, allineare in direzioni opposte agli spin vicini. Anisotropia significa che gli spin devono pagare un costo energetico per ruotare in qualsiasi direzione casuale; vogliono davvero sedersi puntando verso l'alto o verso il basso nella struttura cristallina. Il gruppo di diffusione dei raggi X della divisione di fisica e scienza dei materiali condensati del Brookhaven Lab (CMPMS) ha precedentemente studiato questo materiale (e un composto gemello a strato singolo, Sr 2 IrO 4 ), quindi sono entrati in questo studio con una buona comprensione del suo stato di equilibrio.
"Gli impulsi laser molto brevi disturbano il sistema, distruggendo il suo ordine magnetico, " ha detto il primo autore Daniel Mazzone, ex membro del gruppo e ora scienziato dello strumento presso lo spettrometro di analisi dell'energia multipla ad angolo continuo (CAMEA) presso l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera. "In questo studio, eravamo interessati a vedere come il sistema si rilassa e torna al suo stato normale. Sapevamo che il rilassamento avviene in tempi rapidissimi, e per fotografare qualcosa che si muove molto velocemente, abbiamo bisogno di impulsi di illuminazione molto brevi. Con una sorgente laser a raggi X a elettroni liberi, possiamo generare impulsi abbastanza brevi da vedere il movimento di atomi e molecole. Tali fonti esistono solo in cinque posti in tutto il mondo:negli Stati Uniti, Giappone, Corea, Germania, e Svizzera".
In questo studio, il team ha condotto esperimenti in due delle cinque strutture. Al laser a elettroni liberi (SACLA) SPring-8 Angstrom Compact in Giappone, hanno condotto lo scattering elastico risonante di raggi X risolta nel tempo (tr-REXS). Presso lo strumento sonda a pompa a raggi X della Linac Coherent Light Source, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, gli scienziati hanno eseguito lo scattering di raggi X anelastico risonante risolta nel tempo (tr-RIXS). In entrambe le tecniche di diffusione, I raggi X (sonda) colpiscono il materiale quasi immediatamente dopo l'impulso laser (pompa). Misurando l'energia e l'angolo delle particelle di luce sparse (fotoni), gli scienziati possono determinare la struttura elettronica del materiale e quindi la configurazione magnetica. In questo caso, l'energia dei raggi X è stata sintonizzata per essere sensibile agli elettroni attorno agli atomi di iridio, che guidano il magnetismo in questo materiale. Mentre tr-REXS può rivelare il grado di ordine magnetico a lungo raggio, tr-RIXS può fornire un quadro delle interazioni magnetiche locali.
"Per osservare il comportamento dettagliato degli spin, dobbiamo misurare la variazione di energia dei raggi X con altissima precisione, " ha spiegato l'autore corrispondente Mark Dean, un fisico nel gruppo di diffusione dei raggi X della divisione CMPMS. "Fare così, abbiamo costruito e installato uno spettrometro a raggi X motorizzato allo SLAC."
Uno schema delle configurazioni di scattering di raggi X anelastici risonanti (RIXS) e di scattering di raggi X elastici risonanti (REXS). Il quadrato al centro rappresenta il campione, che viene colpito con un laser (pompa) e poi raggi X (sonda) quasi subito dopo. Per gli esperimenti RIXS, il team ha costruito uno spettrometro a raggi X motorizzato (cerchio color rame) per vedere come si comportano gli spin a livello locale. Credito:Brookhaven National Laboratory
I loro dati hanno rivelato come le interazioni magnetiche siano soppresse non solo localmente ma ovunque. Questa soppressione persiste per picosecondi prima che l'ordine magnetico ritorni al suo stato antiferromagnetico iniziale.
"Il sistema a doppio strato non ha modi energeticamente a basso costo per deformare lo stato magnetico, " ha spiegato Dean. "Si blocca in questo collo di bottiglia dove il magnetismo è fuori equilibrio e non si sta riprendendo, almeno non così rapidamente come nel sistema monostrato."
"Per la maggior parte delle applicazioni, come l'archiviazione dei dati, vuoi una commutazione magnetica veloce, " ha aggiunto Mazzone. "La nostra ricerca suggerisce sistemi in cui gli spin possono puntare in qualsiasi direzione sia migliore per manipolare il magnetismo".
Prossimo, il team prevede di esaminare i materiali correlati e spera di manipolare il magnetismo in modi più mirati, ad esempio cambiando la forza con cui due spin vicini "parlano" tra loro.
"Se potessimo cambiare la distanza tra due spin e vedere come questo influenza la loro interazione, sarebbe davvero fantastico, " disse Mazzone. "Con una comprensione di come si evolve il magnetismo, potremmo modificarlo, magari generando nuovi stati".
