Max Born Institute for Nonlinear Optics e Sur curto espectroscopia de pulso, Berlim, alemão
&bala; Física 18, 139
Utilizando pulsos de raios-X ultra-rápidos, os pesquisadores investigaram a quiralidade das espirais de rotação em antiferromagnets sintéticos.
Figura 1: Em cima: uma variedade de ordens magnéticas é mostrada de cima para baixo: espiral de spin ferromagnético, antiferromagnético e do tipo néel. Inferior: Os pesquisadores criaram um antiferromagnet sintético, no qual as camadas magnéticas são empilhadas junto com cada camada que hospeda uma espiral de spin do tipo néel. Como os giros das camadas adjacentes são anti-alinhados, a magnetização líquida é zero.
Figura 1: Em cima: uma variedade de ordens magnéticas é mostrada de cima para baixo: espiral de spin ferromagnético, antiferromagnético e do tipo néel. Inferior: Os pesquisadores criaram um antiferromagnet sintético, no qual as camadas magnéticas são empilhadas junto com cada camada que hospeda uma espiral de spin do tipo néel. Como os giros das camadas adjacentes são anti-alinhados, a magnetização líquida é zero.
O magnetismo é um companheiro constante em nossas vidas diárias. Armazenamento de dados, sensores, motores elétricos – nenhum desses dispositivos funcionaria sem ele. No entanto, a maioria das tecnologias explora apenas a forma mais simples de ordem magnética: ferromagnetismo, no qual todos os momentos magnéticos dentro de um domínio estão alinhados na mesma direção. Mas a ordem magnética pode ser muito mais complexa. Em antiferromagnets convencionais (AFMs), os momentos magnéticos se alinham em direções opostas para produzir magnetização líquida zero, um tipo de ordem que tem várias vantagens sobre o ferromagnetismo em muitas aplicações tecnológicas de próxima geração. Em materiais mais exóticos, os momentos magnéticos podem se torcer em espirais, vórtices e outras estruturas de rotação que podem um dia ser usadas para armazenar informações. Ocorrendo em ferromagnets e AFMs, essas estruturas de rotação são definidas por sua quiralidade, a direção em que as rotações giram em relação a um eixo fixo.
A quiralidade é uma impressão digital essencial das interações concorrentes em jogo em sistemas magnéticos complexos. No entanto, observar a dinâmica da quiralidade e magnetização nos AFMs tem sido experimentalmente desafiadora, pois ambos podem evoluir sobre escalas de comprimento do nanômetro e em escalas de tempo de femtossegundos. Em um novo estudo, Zongxia Guo, do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica e Colegas, deu um grande passo adiante ao investigar quantidades com pulsos de ultrasheort e ultrabright de um laser de elétrons livres (FEL) (FEL) (FEL) (FEL) (FEL) (1). Os pesquisadores analisam especificamente as espirais de spin em um AFM, e descobrem que – sob a excitação a laser – a quiralidade e a magnetização evoluem juntas em quase uníssono e em escalas de tempo significativamente mais rápidas do que é observado para ferromagnets. A dinâmica de spin tão rápida nas estruturas de spin quiral oferece uma nova rota promissora de como armazenaremos, transferiremos e calcularemos informações no futuro.
As estruturas de rotação quiral podem emergir a partir da interação de várias interações magnéticas, como a interação Dzyaloshinskii-Moriya, que envolve uma troca antissimétrica entre duas rodadas (2). As estruturas podem assumir a forma de ciclóides ou hélices estendidas (chamadas espirais) e vórtices compactos (chamados Skyrmions). Os Skyrmions são especialmente atraentes devido à sua proteção topológica, tamanho em nanoescala (normalmente, 10-100 nm) e mobilidade sob correntes elétricas (3).
No entanto, os Skyrmions em FerromagNets vêm com desvantagens. Sua estabilização requer campos magnéticos externos e sua carga topológica (uma quantidade que descreve a frequência com que seu vetor de magnetização native pode ser envolvido em torno de uma esfera unitária) é diferente de zero. Uma carga topológica diferente de zero implica que um campo magnético desvie o movimento desses Skyrmions através do chamado efeito Skyrmion Corridor (4) – Assim como uma carga elétrica em movimento é desviada no efeito do salão convencional.
O AFM Skyrmions oferece soluções para essas limitações. Esses objetos podem ser vistos como dois skyrmions ferromagnéticos entrelaçados – um em cada sublatueta AFM – com orientações de rotação opostas. A ausência de campos perdidos nos AFMs permite a estabilidade livre de campo à temperatura ambiente e potencialmente até tamanhos menores (abaixo de 10 nm) (5). E como suas acusações topológicas cancelam, o efeito Skyrmion Corridor é fortemente suprimido, permitindo um movimento reto.
Encontrar materiais que naturalmente hospedam essas propriedades são difíceis. Em vez disso, os pesquisadores se voltaram para antiferromagnets sintéticos (SAFS) – as não -estruturas feitas de camadas ferromagnéticas antiferromagneticamente acopladas através de espaçadores não magnéticos. Esses materiais projetados permitem controle preciso sobre interações magnéticas, permitindo a estabilização de estruturas antiferromagnéticas quirais, como espirais e skyrmions (6).
Guo e colegas adotaram o desafio de investigar a evolução ultra-rápida da magnetização e quiralidade em um SAF composto por várias camadas de uma liga magnética de boron-boro de ferro-alvo separado por camadas não magnéticas. Esta configuração em camadas pode potencialmente hospedar Skyrmions AFM (6), mas seria um desafio investigar diretamente essas estruturas compactas com a técnica dos pesquisadores. Então, em vez disso, eles projetaram seu materials para hospedar as espirais de spin do tipo néel, que é um ciclóide onde as rotações giram em um plano para frente ou para trás em relação à direção da propagação. (Isso contrasta com as espirais de rotação do tipo Bloch, onde as rotações giram em torno da direção da propagação como uma hélice.) Cada camada magnética hospeda uma espiral de rotação, com camadas adjacentes tendo direções de rotação opostas (Fig. 1).
Os pesquisadores conduziram seus experimentos no Fermi Fel na Itália – um das fontes de luz extremely -rápidas mais brilhantes e mais estáveis do mundo. Para resolver variações espaciais na estrutura magnética do SAF, a equipe realizou experimentos de espalhamento magnético ressonante, que envolvem ajustar o comprimento de onda da luz sondadora nas ressonâncias de absorção magneticamente sensível no materials. Em specific, os pesquisadores direcionaram o Fe L3 Edge, que exigia o uso de raios X suave (energia de fótons de 707 eV) no limite do desempenho do FEL.
A equipe registrou os raios X espalhando o SAF, revelando um forte sinal de difração especular da estrutura multicamada. Além disso, os pesquisadores identificaram um padrão de espalhamento em forma de anel que emergiu das espirais de rotação de orientação aleatória. O raio deste anel corresponde a um período em espiral de cerca de 190 nm, como esperado. Mas determinar a quiralidade da espiral de spin é muito mais exigente, pois requer polarização round (ou pelo menos elíptico) dos raios x macios – uma capacidade apenas recentemente demonstrada em Fermi (7). Ao gravar padrões de espalhamento com raios X polarizados elipticamente esquerdo e direito, a equipe extraiu o sinal round de dicroísmo, que revelou a sensação de rotação de rotação (esquerda ou destra) e o tipo de quiralidade (néel ou bloch) (8).
Para investigar a dinâmica de rotação em seu SAF, Guo e colegas usaram um esquema de bomba -sonda, no qual os pulsos de laser infravermelho de femtossegundos desmagnetizam transitoriamente o materials, enquanto os raios X rastreiam a resposta da ordem AFM e da quiralidade. O tempo que leva o SAF para desmagnetizar e remagnetizar (180 Fs e 500 Fs, respectivamente) é significativamente mais rápido (por um fator de cerca de 3) do que uma amostra ferromagnética comparável. Curiosamente, na SAF, a quiralidade segue exatamente a dinâmica da ordem AFM, o que não foi o caso em um experimento anterior em um materials ferromagnético quiral (9). Os pesquisadores sugerem que essa distinção surge da natureza topológica da espiral de spin sinalizando continuamente no SAF, que não possui os limites discretos de domínio presentes nos ferromagnets. O resultado destaca a importância de considerar contribuições locais e não -locais ao descrever a dinâmica de rotação extremely -rápida.
Esse método para monitorar a estrutura da rotação quiral é uma conquista baseada em anos de progresso no projeto da amostra, desenvolvimento de fontes de FEL e metodologia de dispersão ressonante. Estender a técnica à dinâmica de femtossegundos de skyrmions individuais exigirá melhorias adicionais, pois os skyrmions são muito menores que a largura típica do feixe de raios-X (cerca de 100 µm) e seu sinal de quiralidade (em termos de contraste dicróico) é muito mais fraco que as espirais de rotação. Mas existem várias outras direções que os pesquisadores podem explorar. Após essa demonstração, os esforços futuros podem comparar a dinâmica das espirais de spin com diferentes planos de rotação (tipo néel do tipo vs bloch) ou estudar redes de skyrmion ordenadas de longo alcance sob excitação ultra-rápida. Como as texturas quirais também podem exibir ordem magnética dependente da profundidade-especialmente após excitação a laser espacialmente não homogênea-um próximo passo heróico seria capturar toda a evolução tridimensional e resolvida no tempo da (anti) ordem ferromagnética e quiralidade (10).
Referências
Z. Guo et al.“Dinâmica extremely -rápida das estruturas de rotação quiral em antiferromagnets sintéticos”. Phys. Rev. b112L020408 (2025).
I. Dzyaloshinsky, “Uma teoria termodinâmica de ferromagnetismo“ fraco ”de antiferromagnéticos”. J. Phys. Chem. Sólidos4241 (1958); T. Moriya, “Interação anisotrópica superexchange e ferromagnetismo fraco”. Phys. Rev.12091 (1960).
J. Sampaio et al.“Nucleação, estabilidade e movimento induzido por corrente de skyrmions magnéticos isolados em nanoestruturas”. Nat. Nanotechnol.8839 (2013).
W. Jiang et al.“Observação direta do efeito Skyrmion Corridor”. Nat. Phys.13162 (2016); Ok. Litzius et al.“Efeito Skyrmion Corridor revelado pela microscopia de raios-X resolvida no tempo direto”. 13170 (2016).
L. Caretta et al.“Paredes de domínio de corrente rápida e pequenos skyrmions em um ferrignet compensado”. Nat. Nanotechnol.131154 (2018).
W. Legrand et al.“Estabilização de temperatura ambiente de skyrmions antiferromagnéticos em antiferromagnets sintéticos”. Nat. Mater.1934 (2019).
C. Spezzani et al.“Experimentos de dicroísmo circulares no L Edge dos metais de transição magnética ativados por pulsos polarizados elipticamente de um laser de elétrons livres semeado ”. Phys. Rev. b110174409 (2024).
J. Chauleau et al.“Quiralidade em multicamadas magnéticas investigadas pela simetria e pela amplitude do dicroísmo na dispersão magnética ressonante de raios-X”. Phys. Rev. Lett.120037202 (2018).
N. Kerber et al.“Recuperação de ordem magnética mais rápida e quiral versus colinear após excitação óptica revelada por dispersão de femtossegundos XUV”. Nat. Comun.116304 (2020).
E. Burgos-Parra et al.“Sondagem de texturas de rotação tridimensionais em multicamadas por espalhamento magnético de ressonância de raios-X dependentes de campo”. Sci. Rep.1311711 (2023).
Sobre o autor
Daniel Schick é líder do Leibniz Junior Group no Max Born Institute (MBI) para óptica não linear e espectroscopia de pulso curto na Alemanha. Sua pesquisa se concentra no magnetismo ultra-rápido, empregando técnicas de espalhamento magnético ressonante em toda a faixa espectral de raios-X XUV para moles. Ele é um usuário experiente de fontes de fótons baseado em acelerador e também é desenvolvedor de experimentos de laboratório com fontes de raios X UltraShort X. Ele obteve seu doutorado pela Universidade de Potsdam na Alemanha em 2013 e, posteriormente, trabalhou como pesquisador de pós -doutorado na instalação de femtosslicing em Bessy II, também na Alemanha, de 2014 a 2017 antes de ingressar no MBI.
Zongxia Guo, Raphael Gruber, Dmitriy Ksenzov, Cyril Léveillé, Matteo Pancaldi, Emanuele Pedersoli, Carlo Spezzani, Giovanni De Ninno, Flavio Capotondi, Christian Gutt, Mathias Kläui, Vincent Cros, Nicolas Reyren, and Nicolas Jaouen
Um método para imagens de ondas de rotação em materiais magnéticos usa variações de intensidade do tipo flash em um feixe de laser para capturar o movimento da onda em momentos específicos no tempo. Leia mais »
