Vad händer när mycket korta pulser av laserljus träffar ett magnetiskt material? Ett stort internationellt samarbete som leddes av U.S.Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory gav sig ut på att svara på just denna fråga. Som de just rapporterade i Förfaranden från National Academy of Sciences , lasern undertryckte magnetisk ordning över hela materialet under flera pikosekunder, eller biljondelar av en sekund. Att förstå hur magnetiska korrelationer förändras på ultrasnabba tidsskalor är det första steget för att kunna kontrollera magnetism på applikationsorienterade sätt. Till exempel, med sådan kontroll, vi kanske snabbare kan skriva data till minnesenheter eller förbättra supraledning (fenomenet där ett material leder elektricitet utan energiförlust), som ofta konkurrerar med andra stater som magnetism.

Materialet som studerades var strontium iridiumoxid (Sr ₃ Ir ₂ O ₇ ), en antiferromagnet med en dubbelsidig kristallstruktur och en stor magnetisk anisotropi. I en antiferromagnet, de magnetiska stunderna, eller elektron snurrar, rikta in motsatta riktningar mot angränsande snurr. Anisotropi betyder att snurrarna måste betala en energikostnad för att rotera i vilken slumpmässig riktning som helst; de vill verkligen sitta pekande uppåt eller nedåt i kristallstrukturen. Röntgenspridningsgruppen i Brookhaven Labs division för kondenserad materia fysik och materialvetenskap (CMPMS) har tidigare studerat detta material (och en syskelförening i ett lager, Sr ₂ IrO ₄ ), så de kom in i denna studie med en god förståelse för dess jämviktstillstånd.

"De mycket korta laserpulserna stör systemet, förstör dess magnetiska ordning, "sa författaren Daniel Mazzone, tidigare gruppmedlem och nu instrumentforskare vid spektrometern Continuous Angle Multiple Energy Analysis (CAMEA) vid Paul Scherrer -institutet i Schweiz. "I den här studien, Vi var intresserade av att se hur systemet slappnar av till sitt normala tillstånd. Vi visste att avslappningen sker mycket snabbt, och för att ta en bild av något som rör sig väldigt snabbt, vi behöver mycket korta belysningspulser. Med en röntgenfri elektronlaserkälla, vi kan generera pulser som är tillräckligt korta för att se rörelsen av atomer och molekyler. Sådana källor finns bara på fem platser runt om i världen - i USA, Japan, Korea, Tyskland, och Schweiz. "

I den här studien, laget körde experiment på två av de fem anläggningarna. På SPring-8 Angstrom Compact free-electron Laser (SACLA) i Japan, de genomförde tidsupplöst resonant elastisk röntgenspridning (tr-REXS). Vid röntgenpump-sondinstrumentet för Linac Coherent Light Source-ett DOE Office of Science User Facility vid SLAC National Accelerator Laboratory-utförde forskarna tidsupplöst resonant oelastisk röntgenspridning (tr-RIXS). I båda spridningsteknikerna, Röntgenstrålar (sond) träffar materialet nästan omedelbart efter laserpulsen (pumpen). Genom att mäta energin och vinkeln för spridda ljuspartiklar (fotoner), forskare kan bestämma materialets elektroniska struktur och därmed magnetiska konfiguration. I detta fall, röntgenenergin var inställd på att vara känslig för elektronerna runt iridiumatomer, som driver magnetism i detta material. Tr-REXS kan avslöja graden av långdistansmagnetisk ordning, tr-RIXS kan ge en bild av lokala magnetiska interaktioner.

"För att observera det detaljerade beteendet hos snurr, vi måste mäta röntgenstrålarnas energiförändring med mycket hög precision, "förklarade motsvarande författare Mark Dean, en fysiker i CMPMS Division X-ray Scattering Group. "Att göra så, vi byggde och installerade en motoriserad röntgenspektrometer vid SLAC. "

Deras data avslöjade hur magnetiska interaktioner undertrycks inte bara lokalt utan överallt. Denna undertryckning kvarstår i picosekunder innan den magnetiska ordningen återgår till sitt ursprungliga antiferromagnetiska tillstånd.

"Dubbelskiktssystemet har inte energiskt billiga sätt att deformera det magnetiska tillståndet, "förklarade Dean." Det fastnar i denna flaskhals där magnetismen är ur jämvikt och inte återhämtar sig, åtminstone inte lika snabbt som i monoskiktssystemet. "

"För de flesta applikationer, som datalagring, du vill ha snabb magnetisk omkoppling, "la till Mazzone." Vår forskning tyder på system där snurr kan peka åt vilket håll som är bättre för att manipulera magnetism. "

Nästa, laget planerar att titta på relaterat material och hoppas kunna manipulera magnetism på mer riktade sätt - till exempel ändra hur starkt två angränsande snurr "pratar med" varandra.

"Om vi ​​kan ändra avståndet mellan två snurr och se hur det påverkar deras interaktion, det vore riktigt coolt, "sa Mazzone." Med en förståelse för hur magnetism utvecklas, vi kunde justera det, kanske skapa nya stater. "