Genom att undersöka magnetiska material med extrem ultraviolett strålning kan du få en detaljerad mikroskopisk bild av hur magnetiska system interagerar med ljus - det snabbaste sättet att manipulera ett magnetiskt material. Ett team av forskare under ledning av Max Born Institute har nu tillhandahållit den experimentella och teoretiska grunden för att tolka sådana spektroskopiska signaler. Resultaten publicerades i Fysiska granskningsbrev .

Studiet av samspelet mellan ljus och materia är ett av de mest kraftfulla sätten att hjälpa fysiker att förstå den mikroskopiska världen. I magnetiska material, en mängd information kan hämtas genom optisk spektroskopi där energin från de enskilda ljuspartiklarna – fotoner – främjar elektroner i det inre skalet till högre energier. Detta beror på att ett sådant tillvägagångssätt gör det möjligt att erhålla de magnetiska egenskaperna separat för de olika typerna av atomer i det magnetiska materialet och gör det möjligt för forskare att förstå rollen och samspelet mellan de olika beståndsdelarna. Denna experimentella teknik, kallas röntgenmagnetisk cirkulär dikroism (XMCD) spektroskopi, har varit banbrytande i slutet av 1980-talet och kräver vanligtvis en storskalig anläggning - en synkrotronstrålningskälla eller röntgenlaser.

För att undersöka hur magnetisering reagerar på ultrakorte laserpulser-det snabbaste sättet att deterministiskt styra magnetiska material-har laboratoriekällor i mindre skala blivit tillgängliga under de senaste åren och levererar ultrakortpulser i det extrema ultravioletta (XUV) spektralområdet. XUV -fotoner, vara mindre energisk, excitera mindre starkt bundna elektroner i materialet, ställa nya utmaningar för tolkningen av de resulterande spektren när det gäller den underliggande magnetiseringen i materialet.

Ett team av forskare från Max Born-institutet i Berlin tillsammans med forskare från Max-Planck-Institutet för mikrostrukturfysik i Halle och Uppsala universitet i Sverige har nu gett en detaljerad analys av det magnetoptiska svaret för XUV-fotoner. De kombinerade experiment med ab initio beräkningar, som endast tar typerna av atomer och deras arrangemang i materialet som ingångsinformation. För de prototypiska magnetiska elementen järn, kobolt och nickel, de kunde mäta responsen från dessa material på XUV-strålning i detalj. Forskarna finner att de observerade signalerna inte bara är proportionella mot magnetmomentet vid respektive element, och att denna avvikelse återges i teorin när så kallade lokala fälteffekter beaktas. Sangeeta Sharma, vem som gav den teoretiska beskrivningen, förklarar:"Lokala fälteffekter kan förstås som en övergående omarrangering av elektronisk laddning i materialet, orsakad av det elektriska fältet för XUV -strålningen som används för undersökningen. Systemets svar på denna störning måste beaktas vid tolkningen av spektra. "

Denna nya insikt gör det nu möjligt att kvantitativt distrahera signaler från olika element i ett material. "Eftersom de flesta funktionella magnetiska material består av flera element, denna förståelse är avgörande för att studera sådant material, särskilt när vi är intresserade av det mer komplexa dynamiska svaret när vi manipulerar dem med laserpulser, säger Felix Willems, studiens första författare. "Att kombinera experiment och teori, vi är nu redo att undersöka hur de dynamiska mikroskopiska processerna kan användas för att uppnå önskad effekt, såsom att växla magnetiseringen på en mycket kort tidsskala. Detta är av både grundläggande och tillämpat intresse."