Desvendando as nanoestruturas secretas de materiais magnéticos com a iluminação certa

Impressão artística do experimento XMCD. A luz de raios X suaves de uma fonte de plasma é primeiro polarizada circularmente pela transmissão através de um filme magnético. Posteriormente, a magnetização na amostra real pode ser determinada com precisão. Crédito: Christian Tzschaschel

Pesquisadores do Max Born Institute, em Berlim, realizaram com sucesso pela primeira vez experimentos de Dicroísmo Circular Magnético de Raios-X (XMCD) em um laboratório de laser.

Desvendar os segredos dos materiais magnéticos requer a iluminação certa. O dicroísmo circular magnético de raios X permite decodificar a ordem magnética em nanoestruturas e atribuí-la a diferentes camadas ou elementos químicos. Pesquisadores do Max Born Institute, em Berlim, conseguiram implementar essa técnica de medição exclusiva na faixa de raios-x suaves em um laboratório a laser. Com esse desenvolvimento, muitas questões tecnologicamente relevantes podem agora ser investigadas fora das instalações científicas de larga escala pela primeira vez.

As nanoestruturas magnéticas fazem parte de nossa vida cotidiana há muito tempo, por exemplo, na forma de dispositivos de armazenamento de dados rápidos e compactos ou sensores altamente sensíveis. Uma contribuição importante para a compreensão de muitos dos efeitos e funcionalidades magnéticas relevantes é feita por um método de medição especial: Dicroísmo Circular Magnético de Raios-X (XMCD).

Esse termo impressionante descreve um efeito fundamental da interação entre a luz e a matéria: em um material ferromagnético, há um desequilíbrio de elétrons com um determinado momento angular, o spin. Se alguém emite luz polarizada circularmente, que também tem um momento angular definido, através de um ferroímã, uma clara diferença na transmissão para um alinhamento paralelo ou antiparalelo dos dois momentos angulares é observável – o chamado dicroísmo.

Este dicroísmo circular de origem magnética é particularmente pronunciado na região dos raios X suaves (energia de 200 a 2000 eV das partículas de luz, correspondendo a um comprimento de onda de apenas 6 a 0,6 nm), ao considerar as bordas de absorção específicas do elemento de transição metais, como ferro, níquel ou cobalto, bem como terras raras, como disprósio ou gadolínio. Esses elementos são particularmente importantes para a aplicação técnica de efeitos magnéticos.

O efeito XMCD permite determinar com precisão o momento magnético dos respectivos elementos, mesmo em camadas enterradas em um material e sem danificar o sistema de amostra. Se a radiação de raios X suaves circularmente polarizada vier em pulsos muito curtos de femto a picossegundos (ps), mesmo os processos de magnetização ultrarrápida podem ser monitorados na escala de tempo relevante. Até agora, o acesso à radiação de raios X necessária só foi possível em instalações científicas de grande escala, como fontes de radiação síncrotron ou lasers de elétrons livres (FELs), e, portanto, foi fortemente limitado.

A transmissão média através da amostra investigada nas bordas de absorção Fe L (pontos de dados pretos) pode ser medida com precisão e é bem descrita por uma simulação (linha preta). Nos dois máximos de absorção, ver inserções, dicroísmo significativo para as duas direções diferentes de magnetização de saturação da amostra é observável. Até agora, tais experimentos só foram possíveis em instalações de grande escala. Crédito: Instituto Max Born

Uma equipe de pesquisadores em torno do líder do grupo de pesquisa júnior Daniel Schick no Max Born Institute (MBI) em Berlim conseguiu pela primeira vez realizar experimentos de XMCD na absorção eu arestas de ferro em um fóton energia de cerca de 700 eV em um laboratório de laser.

A laser plasma A fonte foi usada para gerar a luz suave de raios X necessária, focalizando pulsos de laser óptico muito curtos (2 ps) e intensos (200 mJ por pulso) em um cilindro de tungstênio. O plasma gerado assim emite muita luz continuamente na faixa espectral relevante de 200-2000 eV em uma duração de pulso menor que 10 ps. No entanto, devido ao processo de geração estocástica no plasma, um requisito muito importante para observar o XMCD não é atendido – a polarização da luz do raio-x suave não é circular, como exigido, mas completamente aleatória, semelhante à de uma luz lâmpada.

Portanto, os pesquisadores usaram um truque: a luz do raio-x passa primeiro por um filtro de polarização magnética no qual o mesmo efeito XMCD descrito acima está ativo. Devido à transmissão dicróica dependente da polarização, pode ser gerado um desequilíbrio de partículas de luz com momento angular paralelo vs. antiparalelo em relação à magnetização do filtro. Depois de passar pelo filtro de polarização, a luz de raios-x parcialmente circular ou elipticamente polarizada pode ser empregada para o experimento XMCD real em uma amostra magnética.

Assimetria magnética atrás do polarizador e da amostra examinada nas bordas de absorção do Fe L. As duas cores correspondem a medições com magnetização invertida do polarizador — a direção da magnetização da amostra é imediatamente evidente pelo sinal do dicroísmo observado (curva azul vs. vermelha). As medições podem ser reproduzidas com muita precisão por simulações (linhas). Crédito: Instituto Max Born

O trabalho, publicado na revista científica ÓPTICOdemonstra que as fontes de raios X baseadas em laser estão alcançando as instalações de grande escala. “Nosso conceito para gerar raios-x suaves circularmente polarizados não é apenas muito flexível, mas também parcialmente superior aos métodos convencionais em espectroscopia XMCD devido à natureza de banda larga de nossa fonte de luz”, diz o primeiro autor do estudo e aluno de doutorado no MBI , Martin Borchert. Em particular, a duração de pulso já demonstrada dos pulsos de raios X gerados de apenas alguns picossegundos abre novas possibilidades para observar e, finalmente, entender até mesmo processos de magnetização muito rápidos, por exemplo, quando disparados por flashes de luz ultracurtos.

Referência: “Espectroscopia de dicroísmo circular magnético de raios-X no Fe eu arestas com uma fonte de plasma acionada por laser de picossegundos ”por Martin Borchert, Dieter Engel, Clemens von Korff Schmising, Bastian Pfau, Stefan Eisebitt e Daniel Schick, 4 de abril de 2023, ÓPTICO.
DOI: 10.1364/OPTICA.480221