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May 04, 2023

적절한 조명을 사용하여 자성 재료의 비밀 나노 구조 잠금 해제

Max Born 비선형 광학 및 단펄스 분광학 연구소(MBI)

Max Born 비선형 광학 및 단펄스 분광학 연구소(MBI) 2023년 5월 26일

XMCD 실험에 대한 작가의 인상. 플라즈마 소스로부터 나오는 Soft-X-Ray 빛은 먼저 자성 필름을 통한 투과에 의해 원형 편광됩니다. 결과적으로 실제 샘플의 자화를 정확하게 결정할 수 있습니다. 크레딧: Christian Tzschaschel

베를린에 있는 막스 본 연구소(Max Born Institute)의 연구원들이 처음으로 레이저 실험실에서 X선 ​​자기 원형 이색성(XMCD) 실험을 성공적으로 수행했습니다.

자성 물질의 비밀을 풀려면 적절한 조명이 필요합니다. 자기 X선 원형 이색성은 나노 구조의 자기 순서를 해독하고 이를 다른 층이나 화학 원소에 할당하는 것을 가능하게 합니다. 베를린에 있는 Max Born Institute의 연구원들은 레이저 실험실의 연X선 범위에서 이 독특한 측정 기술을 구현하는 데 성공했습니다. 이번 개발을 통해 이제 처음으로 대규모 과학 시설 외부에서 기술적으로 관련된 많은 질문을 조사할 수 있게 되었습니다.

자기 나노구조는 빠르고 컴팩트한 데이터 저장 장치나 매우 민감한 센서의 형태로 오랫동안 우리 일상 생활의 일부였습니다. XMCD(X선 자기 원형 이색성)라는 특별한 측정 방법을 통해 다양한 관련 자기 효과 및 기능을 이해하는 데 크게 기여할 수 있습니다.

이 인상적인 용어는 빛과 물질 사이의 상호 작용의 근본적인 효과를 설명합니다. 강자성 물질에는 스핀이라는 특정 각운동량을 갖는 전자의 불균형이 있습니다. 정의된 각운동량을 갖는 원형 편광을 강자성체를 통해 비추면 두 각운동량의 평행 또는 역평행 정렬에 대한 투과율의 명확한 차이, 즉 소위 이색성이 관찰됩니다.

이러한 자기 기원의 원형 이색성은 전이의 원소별 흡수 가장자리를 고려할 때 특히 연 X선 영역(광 입자의 200~2000eV 에너지, 단 6~0.6nm의 파장에 해당)에서 두드러집니다. 철, 니켈, 코발트와 같은 금속뿐만 아니라 디스프로슘, 가돌리늄과 같은 희토류도 포함됩니다. 이러한 요소는 자기 효과를 기술적으로 적용하는 데 특히 중요합니다.

XMCD 효과를 사용하면 재료의 매립층에서도 샘플 시스템을 손상시키지 않고 각 요소의 자기 모멘트를 정확하게 결정할 수 있습니다. 원형 편광 연X선 방사선이 매우 짧은 펨토~피코초(ps) 펄스로 들어오는 경우 초고속 자화 과정도 관련 시간 규모로 모니터링할 수 있습니다. 지금까지 필요한 X선 방사선에 대한 접근은 싱크로트론 방사선원이나 자유전자 레이저(FEL)와 같은 대규모 과학 시설에서만 가능했기 때문에 매우 제한되었습니다.

Fe L 흡수 가장자리(검은색 데이터 포인트)에서 조사된 샘플을 통한 평균 투과율은 정확하게 측정될 수 있으며 시뮬레이션(검은색 선)으로 잘 설명됩니다. 두 개의 흡수 최대값(삽입 참조)에서 샘플의 두 가지 다른 포화 자화 방향에 대한 상당한 이색성을 관찰할 수 있습니다. 지금까지 이런 실험은 대규모 시설에서만 가능했다. 크레딧: Max Born Institute

A team of researchers around junior research group leader Daniel Schick at the Max Born Institute (MBI) in Berlin has now succeeded for the first time in realizing XMCD experiments at the absorption L edges of iron at a photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"photon energy of around 700 eV in a laser laboratory./p>

A laser-driven plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"plasma source was used to generate the required soft x-ray light, by focusing very short (2 ps) and intense (200 mJ per pulse) optical laser pulses onto a cylinder of tungsten. The generated plasma thereby emits a lot of light continuously in the relevant spectral range of 200-2000 eV at a pulse duration of smaller than 10 ps. However, due to the stochastic generation process in the plasma, a very important requirement to observe XMCD is not met — the polarization of the soft-x-ray light is not circular, as required, but completely random, similar to that of a light bulb./p>