Впечатление художника от эксперимента XMCD. Мягкое рентгеновское излучение от источника плазмы сначала поляризовано по кругу за счет пропускания через магнитную пленку. Впоследствии можно точно определить намагниченность реального образца. Кредит: Кристиан Цшашель

Магнитные наноструктуры давно вошли в нашу повседневную жизнь, например, в виде быстрых и компактных устройств хранения данных или высокочувствительных датчиков. Большой вклад в понимание многих соответствующих магнитных эффектов и функций вносит специальный метод измерения: рентгеновский магнитный круговой дихроизм (XMCD).

Этот впечатляющий термин описывает фундаментальный эффект взаимодействия между светом и материей: в ферромагнитном материале существует дисбаланс электронов с определенным угловым моментом, спином. Если пропустить сквозь ферромагнетик поляризованный по кругу свет, который также имеет определенный угловой момент, то будет наблюдаться четкая разница в пропускании при параллельном или антипараллельном выравнивании двух угловых моментов — так называемый дихроизм.

Этот круговой дихроизм магнитного происхождения особенно ярко проявляется в области мягкого рентгеновского излучения (энергия световых частиц от 200 до 2000 эВ, что соответствует длине волны всего от 6 до 0,6 нм), при рассмотрении характерных для элемента краев поглощения перехода металлы, такие как железо, никель или кобальт, а также редкоземельные элементы, такие как диспрозий или гадолиний.

Усредненное пропускание через исследуемый образец на краях поглощения Fe L (черные точки) может быть точно измерено и хорошо описывается моделированием (черная линия). В двух максимумах поглощения, см. вставки, наблюдается значительный дихроизм для двух разных направлений намагниченности насыщения образца. Пока такие эксперименты возможны только на крупномасштабных установках. Предоставлено: Forschungsverbund Berlin eV (FVB)

Эти элементы особенно важны для технического применения магнитных эффектов. Эффект XMCD позволяет точно определить магнитный момент соответствующих элементов даже в скрытых слоях материала и без повреждения системы образца. Если мягкое рентгеновское излучение с круговой поляризацией поступает в виде очень коротких импульсов от фемтосекундной до пикосекундной (пс), то даже сверхбыстрые процессы намагничивания можно отслеживать в соответствующем временном масштабе.

До сих пор доступ к необходимому рентгеновскому излучению был возможен только на крупных научных установках, таких как источники синхротронного излучения или лазеры на свободных электронах (ЛСЭ), и поэтому был сильно ограничен.

Группе исследователей во главе с младшим руководителем исследовательской группы Даниэлем Шиком из Института Макса Борна (MBI) в Берлине впервые удалось реализовать эксперименты XMCD на краях поглощения L железа при энергии фотонов около 700 эВ в лазере. Лазерный источник плазмы использовался для генерации необходимого мягкого рентгеновского излучения путем фокусировки очень коротких (2 пс) и интенсивных (200 мДж на импульс) оптических лазерных импульсов на цилиндр из вольфрама.

Таким образом, генерируемая плазма непрерывно излучает много света в соответствующем спектральном диапазоне 200-2000 эВ при длительности импульса менее 10 пс. Однако из-за стохастического процесса генерации в плазме не выполняется очень важное требование для наблюдения XMCD — поляризация мягкого рентгеновского излучения не круговая, как требуется, а совершенно случайная, как у световой лампы.

Магнитная асимметрия за поляризатором и исследуемым образцом на краях поглощения Fe L. Два цвета соответствуют измерениям с обратной намагниченностью поляризатора - направление намагниченности образца сразу видно из знака наблюдаемого дихроизма (синяя и красная кривая). Измерения могут быть очень точно воспроизведены с помощью моделирования (линий). Предоставлено: Forschungsverbund Berlin eV (FVB)

Поэтому исследователи применили хитрость: рентгеновский свет сначала проходит через магнитный поляризационный фильтр, в котором активен тот же эффект XMCD, что и описанный выше. Из-за зависящей от поляризации дихроичной передачи может возникнуть дисбаланс световых частиц с параллельным и антипараллельным угловым моментом относительно намагниченности фильтра. После прохождения через поляризационный фильтр мягкое рентгеновское излучение с частичной круговой или эллиптической поляризацией можно использовать для фактического эксперимента XMCD на магнитном образце.

Работа, опубликованная в журнале Optica, демонстрирует, что лазерные источники рентгеновского излучения догоняют крупномасштабные установки.

«Наша концепция генерации мягкого рентгеновского излучения с круговой поляризацией не только очень гибкая, но и частично превосходит традиционные методы XMCD-спектроскопии из-за широкополосного характера нашего источника света», — говорит первый автор исследования и доктор философии, студент MBI, Мартин Борхерт. В частности, уже продемонстрированная длительность импульса генерируемых рентгеновских импульсов всего в несколько пикосекунд открывает новые возможности для наблюдения и, в конечном счете, понимания даже очень быстрых процессов намагничивания, например, при инициировании сверхкороткими световыми вспышками.