Ett nytt sätt att använda den kraftfulla röntgenlasern vid Department of Energy:s SLAC National Accelerator Laboratory har gjort det möjligt för forskare att upptäcka och mäta fluktuationer i magnetiska strukturer som övervägs för ny datalagring och datorteknik.

I en artikel publicerad tidigare denna månad i Fysiska granskningsbrev , ett team som leds av Joshua Turner, SLAC -personalvetare, och Sujoy Roy, personalvetare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), rapporterat att mäta fluktuationerna i dessa strukturer, kallas magnetiska skyrmions, med en miljarddels sekunders upplösning, 1, 000 gånger bättre än tidigare.

Fånga fluktuerande centrifugeringar

Skyrmions är multi-atom-virvelspinnstrukturer där atomernas spinnorienteringar ändras från en riktning i mitten till motsatt riktning vid omkretsen. De rör sig lätt som svar på elektriska fält, vilket gör dem attraktiva för användning i datalagringsteknik, skiftregisterminnen samt avancerad datorteknik.

Atomernas laddnings- och snurraspekter är inte styva. De reagerar på en mängd krafter med vibrationer och andra rörelser - kollektivt kallade fluktuationer - varav några till och med påverkar själva atomernas rörelse. Teoretiker har nyligen föreslagit att fluktuationer kan ha nyckelroller för att bestämma hur komplexa material beter sig, såsom i fenomenet högtemperatur supraledning.

Tills nu, dock, det fanns inget sätt att analysera skyrmions fluktuationer i tunnfilmstrukturerna som behövs för tekniska tillämpningar. Detta nya resultat möjliggjordes av ett nyligen utvecklat "två-hink" -läge för att skapa par röntgenpulser vid SLAC:s Linac Coherent Light Source (LCLS) frielektronlaser som gör att forskare kan studera jämviktsfenomen som sker i tidsperioder mindre än en miljarddels sekund lång för första gången.

Medan enskilda LCLS -pulser vanligtvis separeras med cirka 8 tusendels sekund, två-skoptekniken skapar pulspar som kan vara så nära som en tredjedel av en miljarddels sekund från varandra. När han fick reda på två-bucket-läget för två år sedan, Turner visste omedelbart att det borde vara användbart för att mäta fluktuationer i magnetiska system, som skyrmions.

"Innan denna studie forskare har använt LCLS för att studera icke-jämviktsfysik vid ännu snabbare tidsskalor, "Turner förklarade." Den nya tekniken öppnar dörren till en hel kategori experiment som nu kan göras i jämvikt med röntgenfria elektronlasrar. "

Av en slump, Roy, en mångårig vän till Turner, hade använt mjuka röntgenstrålar vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) för att undersöka skyrmions och deras fluktuationer, senast i ett järn-gadoliniumskiktat material som odlats av UC-San Diego-professorn Eric Fullerton. De två kom snabbt överens om att använda LCLS för att se om de, i samarbete med Fullerton, kunde se snabba skyrmionfluktuationer med samma prov.

Använda röntgenstrålar för att reta bort magnetiska förändringar

Detekteringsprocessen som används för att se fluktuationerna kallas röntgenfotonkorrelationsspektroskopi. Att lysa en ultrakort puls av koherenta röntgenstrålar på provet ger ett fläckinterferensmönster som representerar provets magnetiska egenskaper. Att snabbt följa upp med en andra puls lägger till ett andra fläckmönster ovanpå det första på samma detektor. Eventuella fluktuationer gör att det andra mönstret blir annorlunda, så oklarheten i den kombinerade bilden indikerar storleken på fluktuationerna i provet.

"Den här tekniken liknar att mäta stjärnernas blinkande för att belysa detaljer om turbulens i jordens atmosfär, "Turner sa." I det här fallet, målet med att mäta 'blinkande' hos de upptäckta röntgenstrålarna är att förstå hur materialets magnetiska struktur fluktuerar och hur det påverkar materialets egenskaper. "

En av flera utmaningar för att göra dessa mätningar var att minska intensiteten på LCLS:s röntgenpulser så att de inte skulle skapa sina egna fluktuationer i provet. Olika tekniker reducerade slutligen flödet av röntgenstrålar som träffade provet till en miljonedel av den ursprungliga pulsenergin.

"Vi vill bara kittla provet, "Turner sa." Det är långt ifrån det typiska LCLS "pump-probe" -experimentet, där de intensiva röntgenpulserna kan av design, ändra, eller till och med spränga proverna. "

Att utveckla sätt att mäta röntgenintensiteten för varje par pulser och deras tidsintervall och att upptäcka så få fotoner i fläckmönstren var också mycket svårt, tillade Matt Seaberg, SLAC associerad personalvetare och första författare till tidningen. Forskarna justerade tiden mellan varje par pulser från en bråkdel av en nanosekund till 25 nanosekunder (en nanosekund är en miljarddel av en sekund) och stämde också in ett externt magnetfält för att spänna över en rad magnetiska förhållanden i provet.

"Detta är ett helt nytt sätt att göra denna typ av mätningar, "Sa Roy." Tidsupplösningen begränsas av tiden som skiljer de två pulser som acceleratorn producerar. "

När de ställde in det yttre magnetfältet för att vara mest idealiskt för skyrmions i provet, de såg att fluktuationer inträffade med en period på cirka 4 nanosekunder. Men när magnetfältet reducerades något till där de cirkulära skyrmionstrukturerna börjar ge vika för en annan fas med randiga magnetiska domänstrukturer, fluktuationsperioden rasade till bara en bråkdel av en nanosekund.

"Detta resultat indikerar att fluktuationerna är större och snabbare nära gränsen för skyrmion- och randfaserna, "Joshua Turner sa." Denna information är viktig för att dechiffrera den roll som magnetiska fluktuationer spelar när materialet omvandlas från en fas till den andra. Det kommer också att tillåta oss att ansluta till teoretiska modeller som används för att förstå hur fluktuationer främjar fasövergångar i en mängd magnetiska och magnetiska fasta ämnen. "

Den kollegiala kulturen vid SLAC spelade en stor roll för framgången med denna forskning, Turner tillagd. Forskarna arbetade nära med acceleratorfysikerna Jim Turner och Franz-Josef Decker, som utarbetade tekniken med två hinkar.

"Allt detta kom till på grund av det nära samarbetet mellan LCLS-fysikerna på röntgensidan tillsammans med dem på acceleratorfysiksidan, "sa han." Ibland är det inte klart hur vi kan använda deras fantastiska utveckling. Men att arbeta tillsammans gjorde detta till en mycket givande strävan. "

Samma team fortsätter att använda samma tekniker för att undersöka Fullertons material mer detaljerat, och framtida arbete som planeras för i vinter kommer att utforska andra magnetiskt komplexa material, såsom snurrar och högtemperatur superledare.