Figur 1:(a) Illustration av den diffraktiva ferromagnetiska resonansen (DFMR) -inställningen. Provet placeras på en koplanär vågledare, som är monterad inuti den mjuka röntgendiffraktometern RASOR på beamline I10. Ett magnetfält appliceras i spridningsplanet (grått skuggat) längs den samplanära vågledaren. Energin för de infallande röntgenstrålarna är inställd på L-kanterna på övergångsmetallerna av intresse (i detta fall L3-kanten på Fe). Såväl statiska som dynamiska mätningar utförs med användning av en fotodiod för detektering av diffraktionstopparna. För dynamiska DFMR -mätningar, en specifik diffraktionstopp väljs och en amplitudmodulerad mikrovågspumpssignal appliceras. På Diamond, de sonderande röntgenstrålarna pulseras vid ∼500 MHz. En kamgenerator används för att ge högre övertoner av denna pulsfrekvens upp till 10 GHz, och en fördröjningslinje möjliggör den relativa fasförskjutningen av mikrovågssignalen med avseende på röntgenpulserna. Den högra sidan visar DFMR-fördröjningssökningar av den magnetiska Bragg-toppen av hexaferrit av Y-typ BaSrMg2Fe12O22 som en funktion av polarisationsvinkeln. Mätningar av (b) det anisotropa läget vid 6 GHz och (c) det isotropa läget A vid 2 GHz. Upphovsman:Diamond Light Source
När nanoelektronik stöter på grundläggande hinder, elektronens snurr, utöver avgiften, används för att transportera information i elektroniska enheter. Detta kräver nya karaktäriserings- och detektionsmetoder för spinnlägen i komplexa magnetiska strukturer. Nuvarande tekniker mäter antingen materialegenskaper på nanometerlängdsskalan eller på picosekundens tidsskala, dock, båda behövs samtidigt för att få en fullständig bild för att främja framtida teknisk utveckling.
Forskare från Diamond Light Source's Magnetic Spectroscopy Group, universitetet i Oxford, och ShanghaiTech University har utvecklat en ny diffraktiv ferromagnetisk resonans (DFMR) teknik för att hämta dynamiken i enskilda centrifugeringslägen. DFMR kombinerar kraften i två mättekniker, resonant elastisk röntgenspridning (REXS) för att hämta den detaljerade centrifugeringsstrukturen hos ett magnetiskt system, och röntgendetekterad ferromagnetisk resonans (XFMR) för åtkomst till den elementselektiva magnetiseringsdynamiken. Teamets senaste publikation i Nano Letters demonstrerar deras DFMR -teknik genom att studera spindynamiken hos en multiferroisk hexaferit, som har stor potential för informationslagringsapplikationer.
Experimentella studier av magnetiseringsdynamik
Studiet av magnetiseringsdynamik är avgörande för utvecklingen av nya magnetiska lagringsmaterial och enheter, som vanligtvis består av flera olika lager. Den mest använda tekniken, ferromagnetisk resonans (FMR), ger kunskap om endast den integrerade magnetiseringsdynamiken inom dessa komplexa system. Det är här synkrotronstrålning erbjuder en lösning. Genom att använda röntgenmagnetisk cirkulär dikroism (XMCD) -effekt, magnetisk och kemisk kontrast erhålls, vilket gör det möjligt att studera den elementspecifika magnetiseringsdynamiken i röntgendetekterad FMR.
Den diffraktiva FMR -tekniken
DFMR -tekniken är en förening av REXS - som avslöjar den statiska magnetiska strukturen i ömsesidigt utrymme - och XFMR, som används för att avslöja tidsberoende av denna struktur. Forskargruppen utförde sina mätningar i RASOR -diffraktometern på Diamants I10 -stråle, som ger både variabla provtemperaturer och magnetfält. Röntgenstrålarna är inställda på L2, 3 absorptionskant av 3D-övergångsmetallelementet av intresse, och tillståndet för magnetisk diffraktion kan typiskt uppfyllas för spinnmoduleringar från 10s till 100s nm. Magnetiseringsdynamiken samplas stroboskopiskt, med användning av röntgenpulsstrukturen för synkrotronen på 500 MHz (masteroscillatorklockan för diamantlagringsringen) och synkronisering med ett mikrovågsfält applicerat på provet. En fördröjningslinje möjliggör fasförskjutning av mikrovågsoscillationen med avseende på röntgenpulserna. Den här vägen, den magnetiska signalen kan övervakas som en funktion av fördröjningen mellan mikrovågsexcitering (pump) och röntgenbunden ankomst (sond). DFMR kombinerar REXS och XFMR genom att mäta intensitetsförändringen hos de spridda topparna till följd av den stroboskopiska sonderingen av den magnetiska strukturen. En schematisk bild av den experimentella inställningen visas i figur 1 tillsammans med uppmätta DFMR -fördröjningsskanningar av de magnetiska topparna som en funktion av linjär polarisationsvinkel.
Nästa steg
Innovativa magnetiska material har spelat, och kommer att fortsätta spela, en avgörande roll för ökningen av datalagringskapacitet under de kommande åren. Deras fortsatta utveckling, och särskilt på grund av komplexets tillkomst, topologiskt ordnade magnetiska system, kräver lämpliga ultrakänsliga karaktäriseringsverktyg i sin ursprungliga GHz-frekvensdomän. Med DFMR, teamet har etablerat ett nyckelverktyg som hjälper forskare i deras strävan att syntetisera och konstruera nya skyrmion- och multiferroiska material där ordnade magnetmoment kan manipuleras genom tillämpning av elektriska eller magnetiska fält, med målet att utveckla databehandlingslösningar med hög densitet och låg energiförbrukning.
Huvudförfattaren Dr David Burn förklarar:
"Vi tror att utvecklingen av diffraktiva FMR utgör ett stort genombrott för spintronics, eftersom det tillåter, för första gången, studera dynamiska magnetiseringslägen ner till nanoskala med rumslig, tidsmässig och kemisk upplösning. Denna längdskala, i kombination med 10 GHz dynamiskt omfång, är avgörande för utvecklingen av post-CMOS magnetisk logik och minnesenheter. Vi är säkra på att det kommer att ha en betydande inverkan på det bredare vetenskapliga samfundet. "
