Figura 1:(a) Illustrazione della configurazione di risonanza ferromagnetica diffrattiva (DFMR). Il campione viene posizionato su una guida d'onda complanare, che è montato all'interno del diffrattometro a raggi X molli RASOR sulla linea di luce I10. Un campo magnetico viene applicato nel piano di diffusione (ombreggiato in grigio) lungo la guida d'onda complanare. L'energia dei raggi X incidenti è sintonizzata sui bordi L dei metalli di transizione di interesse (in questo caso il bordo L3 di Fe). Sia le misure statiche che quelle dinamiche vengono effettuate avvalendosi di un fotodiodo per la rilevazione dei picchi di diffrazione. Per misurazioni DFMR dinamiche, viene selezionato un picco di diffrazione specifico e viene applicato un segnale di pompa a microonde modulato in ampiezza. A Diamante, i raggi X di sondaggio sono pulsati a ∼500 MHz. Un generatore a pettine viene utilizzato per fornire armoniche più elevate di questa frequenza di impulso fino a 10 GHz, ed una linea di ritardo consente lo sfasamento relativo del segnale a microonde rispetto agli impulsi a raggi x. Il lato destro mostra le scansioni di ritardo DFMR del picco magnetico di Bragg dell'esaferrite di tipo Y BaSrMg2Fe12O22 in funzione dell'angolo di polarizzazione. Misure di (b) il modo anisotropo a 6 GHz e (c) il modo isotropico A a 2 GHz. Credito:sorgente luminosa a diamante
Poiché la nanoelettronica incontra barriere fondamentali, lo spin di un elettrone, oltre alla sua carica, viene utilizzato per trasportare informazioni in dispositivi elettronici. Ciò richiede nuovi metodi di caratterizzazione e rilevamento delle modalità di spin in strutture magnetiche complesse. Le tecniche attuali misurano le proprietà dei materiali sulla scala della lunghezza del nanometro o sulla scala dei tempi dei picosecondi, però, entrambi sono necessari contemporaneamente per ottenere un quadro completo al fine di far avanzare i futuri sviluppi tecnologici.
I ricercatori del gruppo di spettroscopia magnetica di Diamond Light Source, l'Università di Oxford, e la ShanghaiTech University hanno sviluppato una nuova tecnica di risonanza ferromagnetica diffrattiva (DFMR) per recuperare le dinamiche delle singole modalità di spin. DFMR combina la potenza di due tecniche di misurazione, scattering elastico risonante di raggi X (REXS) per il recupero della struttura di spin dettagliata di un sistema magnetico, e risonanza ferromagnetica rilevata a raggi X (XFMR) per accedere alla dinamica di magnetizzazione selettiva degli elementi. La recente pubblicazione del team su Nano Letters dimostra la loro tecnica DFMR studiando la dinamica di spin di un'esaferrite multiferroica, che ha un grande potenziale per le applicazioni di archiviazione delle informazioni.
Studi sperimentali sulla dinamica della magnetizzazione
Lo studio della dinamica della magnetizzazione è fondamentale per lo sviluppo di nuovi materiali e dispositivi di memorizzazione magnetica, che sono tipicamente composti da diversi strati. La tecnica più utilizzata, risonanza ferromagnetica (FMR), fornisce informazioni solo sulla dinamica della magnetizzazione integrata all'interno di questi sistemi complessi. È qui che la radiazione di sincrotrone offre una soluzione. Sfruttando l'effetto di dicroismo circolare magnetico a raggi X (XMCD), si ottiene il contrasto magnetico e chimico, che consente di studiare la dinamica di magnetizzazione specifica dell'elemento nell'FMR rilevato dai raggi X.
La tecnica FMR diffrattiva
La tecnica DFMR è un'unione di REXS, che rivela la struttura magnetica statica nello spazio reciproco, e XFMR, che viene utilizzato per rivelare la dipendenza dal tempo di questa struttura. Il team di ricerca ha effettuato le misurazioni nel diffrattometro RASOR sulla linea di luce I10 di Diamond, che fornisce sia temperature del campione variabili che campi magnetici. I raggi X incidenti sono sintonizzati su L2, 3 bordo di assorbimento dell'elemento di metallo di transizione 3d di interesse, e la condizione di diffrazione magnetica può essere tipicamente soddisfatta per modulazioni di spin da 10s a 100s nm. La dinamica della magnetizzazione viene campionata stroboscopicamente, sfruttando la struttura ad impulsi a raggi X del sincrotrone di 500 MHz (l'orologio dell'oscillatore master dell'anello di immagazzinamento del Diamante) e la sincronizzazione con un campo di microonde applicato al campione. Una linea di ritardo consente lo sfasamento dell'oscillazione delle microonde rispetto agli impulsi a raggi X. Per di qua, il segnale magnetico può essere monitorato in funzione del ritardo tra l'eccitazione delle microonde (pompa) e l'arrivo del fascio di raggi X (sonda). DFMR combina REXS e XFMR misurando la variazione di intensità dei picchi diffusi risultanti dal sondaggio stroboscopico della struttura magnetica. Uno schema della configurazione sperimentale è mostrato nella Figura 1 insieme alle scansioni di ritardo DFMR misurate dei picchi magnetici in funzione dell'angolo di polarizzazione lineare.
Prossimi passi
Materiali magnetici innovativi hanno giocato, e continuerò a giocare, un ruolo fondamentale per l'aumento della capacità di archiviazione dei dati negli anni a venire. Il loro continuo sviluppo, e soprattutto per l'avvento di complessi, sistemi magnetici topologicamente ordinati, richiede strumenti di caratterizzazione ultrasensibili adeguati nel loro dominio di frequenza GHz nativo. Con DFMR, il team ha creato uno strumento chiave che aiuterà i ricercatori nella loro ricerca per sintetizzare e ingegnerizzare nuovi materiali skyrmion e multiferroici in cui i momenti magnetici ordinati possono essere manipolati tramite l'applicazione di campi elettrici o magnetici, con l'obiettivo di sviluppare soluzioni di elaborazione dati ad alta densità e basso consumo energetico.
L'autore principale, il dott. David Burn, spiega:
"Riteniamo che lo sviluppo dell'FMR diffrattivo rappresenti un importante passo avanti per la spintronica in quanto consente, per la prima volta, lo studio delle modalità di magnetizzazione dinamica fino alla nanoscala con spazi, risoluzione temporale e chimica. Questa scala di lunghezza, in combinazione con la gamma dinamica di 10 GHz, è cruciale per lo sviluppo di logica magnetica e dispositivi di memoria post-CMOS. Siamo certi che avrà un impatto significativo sulla più ampia comunità scientifica".
