Artificiella spinnisar (ASI) är magnetiska metamaterial med exotiska egenskaper som är beroende av deras geometrier. Under de senaste åren, många fysiker har studerat dessa material, eftersom deras unika egenskaper kan vara fördelaktiga för ett antal tillämpningar.

Forskare vid University of Kentucky, Argonne National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory och andra institut i USA har nyligen introducerat en metod för att uppnå switchable X-ray orbital angular momentum (OAM) i ASI magnetiska system. Deras tillvägagångssätt, presenteras i ett papper publicerat i Fysiska granskningsbrev , kan bana väg för ny forskning som undersöker egenskaperna hos magnetiska system, ferroelektrik, kirala system och nanostrukturer.

"Jag är mycket intresserad av ämnet fotoner som bär orbital vinkelmoment (OAM), "Sujoy Roy, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "I det synliga ljuset har det varit mycket arbete på det här området, men när det gäller röntgen har det förekommit begränsade rapporter. Så, vi började titta på det och vi var de första som framgångsrikt genererade OAM som bär mjuka röntgenstrålar."

I en tidigare tidning publicerad i Nature Photonics , Roy och hans kollegor visade att de framgångsrikt kunde generera OAM-bärande mjuka röntgenstrålar genom att tillverka ett specialiserat galler med en gaffeldislokation. Senare, medan de undersökte 2D kvadratiska ASI, de började undersöka genereringen av OAM-balkar i fall där ett materials kvadratiska galler har en gaffeldefekt.

"Detta var särskilt intressant eftersom vårt gitter var magnetiskt; sålunda arrangerar det sig antiferromagnetiskt under beställningstemperaturen, " sa Roy. "Nu är frågan, om vi introducerar en gaffel, vad händer med antiferromagneten? Går provet fortfarande in i ett antiferromagnetiskt tillstånd? Efter en rad diskussioner och brainstorming inom gruppen, vi kom till slutsatsen att genom att sätta in en dubbel dislokation, provet kommer fortfarande att kunna gå till ett antiferromagnetiskt tillstånd."

ASI är mönstrade arrayer av nanomagneter som har några gemensamma egenskaper med vattenis. ASI kan ofta vara "frustrerade, " vilket i huvudsak betyder att magneter som finns i dem inte kan anpassa sig till sina grannar på ett sätt som skulle minimera energin involverad i deras interaktioner. Som Linus Pauling observerade 1935, väteatomer i vattenis är vanligtvis ordnade på ett liknande sätt.

För ungefär ett decennium sedan, fysiker visade att kvadratiska ASI, först studerades av ett forskarlag vid Penn State University, är faktiskt inte "frustrerade, " men de går istället in i ett välordnat antiferromagnetiskt grundtillstånd. Detta förutspåddes först 2006 av Möller och Moessner och demonstrerades experimentellt 2011 av Christopher Marrows och hans kollegor vid University of Leeds. När de är i ett antiferromagnetiskt grundtillstånd, magneterna i gittret är orienterade på ett sådant sätt att de tar ut, så att det inte finns någon nettomagnetisering av ASI.

"Vi har arbetat inom området för artificiell spin-is (ASI) under en tid i samarbete med professor Lance De Long vid University of Kentucky, "Todd Hastings, en annan forskare inblandad i den senaste studien, berättade för Phys.org. "En annan grupp, ledd av John Cumings vid University of Maryland, visade att införandet av en gaffeldislokation (topologisk laddning 1) i en kvadratisk ASI återinför frustration och förhindrar bildandet av ett enda antiferromagnetiskt grundtillstånd. Vårt team insåg att införandet av en dubbel gaffeldislokation (topologisk laddning 2) potentiellt kan tillåta det antiferromagnetiska grundtillståndet att reformeras."

I ASI som granskades av Roy, Hastings och deras kollegor, den topologiska laddningen (dvs. nummer på gaffeldefekten) i strukturen är 2, medan den för antiferromagneten är 1, leder till två olika topologiska laddningar i ett enda system. Förutom att utforska hur införandet och borttagandet av frustration kan förändra laddningen av en enskild defekt i kvadratiska ASI-system, forskarna tittade på hur röntgenstrålar sprids från dessa strukturer.

"För en tid, vi hade funderat på hur vi skulle skapa röntgenstrålar med OAM som kunde slås på och av, Hastings förklarade. "Ljusbärande OAM kan få små föremål att kretsa kring strålens centrum och har möjliggjort så olika tillämpningar som kvantkryptografi, optisk pincett, och telekommunikation. Även om röntgen-OAM är mycket mindre vanligt, den kan skapas genom diffraktion från strukturer med gaffeldefekter. Vi antog därför att röntgenstrålar spridda från fyrkantiga ASI med gaffeldefekter också skulle bära OAM."

En forskargrupp ledd av Laura Heyderman vid ETH Zürich och Paul Scherrer Institute visade att genom att applicera ett externt magnetfält på kvadratiska ASI, de kan placeras i ett ferromagnetiskt tillstånd, där alla nanomagneter är orienterade i samma riktning. Inspirerad av detta tidigare arbete, Roy och Hastings antog att ett applicerat magnetfält också kunde stänga av magnetiskt spridda OAM-strålar, och att dessa strålar skulle slås på igen när systemet återgick till sitt marktillstånd.

"Med detta, hela bilden sammanställdes av ett system som kunde producera röntgenstrålar med olika ordningsbana vinkelmoment och där de magnetiskt spridda strålarna kunde slås på och av, sa Hastings.

Röntgenstrålar tenderar att vara känsliga för densiteten av ett material, men inte särskilt känslig för magnetiska moment. För att uppnå röntgenstrålar som är känsliga för magnetiska signaler, forskarna använde en teknik som kallas Resonant X-ray Magnetic Scattering (RXMS), med en koherent stråle (dvs. en med en väldefinierad amplitud och fas). Denna teknik gjorde det möjligt för dem att uppnå högre magnetisk känslighet, genom att ställa in den infallande strålens energi till ett elements absorptionskant.

"I vårat fall, vi ställde in på L3-kanten av järn som är på 707 eV (för referens, Cu K alfa-strålning är 8 keV) och sedan diffrakterade vi med en koherent röntgenstråle, " förklarade Roy. "På grund av strålens koherens, fasen för den diffrakterade strålen verkade koherent, så att hela den utgående strålen fick en spiralformad fasfront som gav upphov till OAM."

När forskare utför ett diffraktionsexperiment med RXMS-tekniker, de kan observera starka toppar i vissa vinklar som uppfyller Braggs villkor, där de spridda röntgenstrålarna stör konstruktivt. Eftersom gitteravståndet i antiferromagneter är dubbelt så stort som för strukturella gitter, den antiferromagnetiska toppen uppträder i allmänhet i en annan position. Denna skillnad i position hjälper forskare att skilja mellan laddningstoppar och magnetiska diffraktionstoppar.

"När vi diffrakterar från den gaffelformade 2D-matrisen, vi får OAM-strålar både vid strukturella Bragg-toppar och magnetiska Bragg-toppar, " sa Roy. "Men, på grund av de två olika topologiska laddningarna, vi ser olika OAM-innehåll i de strukturella och magnetiska Bragg-topparna. Vidare, eftersom vi kan kontrollera den artificiella isen med ett applicerat fält, Detta innebar att vi skulle kunna kontrollera OAM-innehållet i strålen."

Nanomagneterna i ASI:erna som används av Roy, Hastings och deras kollegor var gjorda av permalloy, en legering av nickel och järn. För att skapa systemet de undersökte, forskarna skrev ett mönster i en polymer på en silikonwafer, använder en teknik som kallas elektronstrålelitografi.

"Vårt prov belades sedan med permalloy genom att indunsta materialet i vakuum (elektronstråleförångning) så att det avsattes över mönstret, " sade Hastings. "Sedan, vi tog bort polymeren och permalloyen som vilade ovanpå de omönstrade områdena (en så kallad lift-off process). Varje nanomagnet var 470 nm lång, 170 nm bred, och endast 3 nm tjock. Ett människohår är ungefär 100, 000 nm i diameter, så om du ställde dessa magneter på ända, ungefär 15 miljoner av dem skulle passa på änden av ett människohår."

När röntgenstrålar diffrakterades i rätt vinkel och när strålen var inställd på den magnetiska L3-kanten av järn, forskarna fann att ASI-systemet de undersökte gick in i ett antiferromagnetiskt grundtillstånd. De bekräftade senare närvaron av detta tillstånd genom att direkt avbilda magnetiseringen av nanomagneterna i systemet, med användning av en teknik känd som röntgenmagnetisk cirkulär dikroism fotoemissionselektronmikroskopi (XMCD-PEEM). Med denna teknik, de belyste ASI med röntgenstrålar och fångade elektronerna som emitterades från nanomagneterna i ett elektronmikroskop.

"Under experimenten med röntgenspridning, vi värmde provet upp till cirka 100°C för att visa att de magnetiskt spridda strålarna kunde stängas av med temperaturen när ASI bytte från antiferromagnetisk ordning till ett paramagnetiskt tillstånd, " sa Hastings. "Det är intressant att själva permalloyen inte blir paramagnetisk förrän vid cirka 600°C, så ASI imiterar en paramagnet medan permalloyen förblir ferromagnetisk."

Forskarna applicerade också ett magnetfält på ASI som de undersökte för att orientera alla dess magneter i samma riktning. Istället för att rotera i det yttre magnetfältet, nanomagneterna ändrade sin magnetiseringsriktning internt. Forskarna fann att när ASI inte längre var i det antiferromagnetiska grundtillståndet, de magnetiskt spridda röntgen-OAM-strålarna försvann.

"Än så länge, genereringen av OAM-stråle i röntgenregimen var en icke-trivial uppgift, " Sa Roy. "Nu när vi kan generera dessa strålar och även ha ett sätt att kontrollera dem, det öppnar nya möjligheter. Till exempel, dessa strålar kan användas för att studera topologiska spinntexturer i magnetiska system, polära virvlar i ferroelektrik, kirala system och nanostrukturer."

Tillvägagångssättet för att generera en omkopplingsbar röntgen-OAM från ASI:er utarbetad av Roy, Hastings och deras kollegor kan ha många intressanta tillämpningar. Förutom att informera om nya studier som undersöker olika material, det skulle kunna öppna nya möjligheter för användningen av röntgenstrålning inom kvantinformationsvetenskap. Dessutom, använda metoderna som används av denna forskargrupp, fysiker kunde identifiera andra material som skulle kunna användas för att generera skräddarsydda röntgenstrålar.

"Förmågan att generera kontrollerbar röntgen-OAM ger ett spännande nytt verktyg för att studera andra material, "Sade Hastings. "Vår studie ger också viss inblick i hur artificiella spinnisar beter sig i närvaro av så kallade topologiska defekter. Det är, nu vet vi att defektfria kvadratiska ASI inte är frustrerade och ordnar antiferromagnetiskt, att defekter med topologisk laddning av en introducerar frustration, och defekter i topologisk laddning två tar bort frustration."

Roy, Hastings och deras medarbetare försöker nu avgöra om strålarna som genereras i deras experiment är känsliga för specifika egenskaper hos andra material. Om detta är fallet, deras resultat kan skapa nya vägar och horisonter för forskning som utforskar olika materialsystem.

"Förutom att applicera OAM-röntgenstrålar för att studera andra material, vi studerar också mer komplexa ASI:er som kan generera olika OAM-strålar, utforska nya sätt att byta OAM, och försöka lära sig mer detaljerat hur topologiska defekter påverkar beteendet hos ASI, sa Hastings.

© 2021 Science X Network