Una nueva forma de operar el poderoso láser de rayos X en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía ha permitido a los investigadores detectar y medir las fluctuaciones en las estructuras magnéticas que se están considerando para las nuevas tecnologías de computación y almacenamiento de datos.

En un artículo publicado a principios de este mes en Cartas de revisión física , un equipo dirigido por Joshua Turner, Científico del personal de SLAC, y Sujoy Roy, científico de planta del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), informó medir las fluctuaciones en estas estructuras, llamados skyrmions magnéticos, con una resolución de mil millonésimas de segundo, 1, 000 veces mejor de lo que había sido posible antes.

Captura de texturas de giro fluctuantes

Los Skyrmions son texturas de giro de vórtice de múltiples átomos en las que las orientaciones de giro de los átomos cambian de una dirección en el medio a la dirección opuesta en la circunferencia. Se mueven fácilmente en respuesta a campos eléctricos, lo que los hace atractivos para su uso en tecnologías de almacenamiento de datos, memorias de registro de cambios, así como tecnologías informáticas avanzadas.

Los aspectos de carga y espín de los átomos no son rígidos. Responden a una serie de fuerzas con vibraciones y otros movimientos, denominados colectivamente fluctuaciones, algunos de los cuales incluso afectan el movimiento de los propios átomos. Los teóricos han propuesto recientemente que las fluctuaciones pueden tener un papel clave en la determinación de cómo se comportan los materiales complejos, como en el fenómeno de la superconductividad a alta temperatura.

Hasta ahora, sin embargo, no había forma de analizar las fluctuaciones de skyrmion en las estructuras de película delgada necesarias para las aplicaciones tecnológicas. Este nuevo resultado fue posible gracias a un modo de "dos cubos" desarrollado recientemente para crear pares de pulsos de rayos X en el láser de electrones libres de fuente de luz coherente Linac (LCLS) de SLAC que permite a los investigadores estudiar los fenómenos de equilibrio que tienen lugar en períodos de tiempo. menos de una milmillonésima de segundo de duración por primera vez.

Si bien los pulsos de LCLS individuales suelen estar separados por aproximadamente 8 milésimas de segundo, La técnica de dos cubos crea pares de pulsos que pueden estar separados por una distancia de hasta un tercio de una milmillonésima de segundo. Cuando se enteró del modo de dos cubos hace dos años, Turner supo de inmediato que debería ser útil para medir fluctuaciones en sistemas magnéticos, como skyrmions.

"Antes de este estudio, Los científicos han utilizado LCLS para estudiar la física del desequilibrio en escalas de tiempo aún más rápidas, "Explicó Turner." La nueva técnica abre la puerta a toda una categoría de experimentos que ahora se pueden realizar en equilibrio en un láser de rayos X de electrones libres ".

Por coincidencia, Roy, un viejo amigo de Turner, había estado usando rayos X suaves en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab para examinar los skyrmions y sus fluctuaciones, más recientemente en un material en capas de hierro-gadolinio cultivado por el profesor Eric Fullerton de UC-San Diego. Los dos acordaron rápidamente usar LCLS para ver si, en colaboración con Fullerton, pudo ver fluctuaciones rápidas de skyrmion usando la misma muestra.

Uso de rayos X para detectar cambios magnéticos

El proceso de detección utilizado para ver las fluctuaciones se llama espectroscopia de correlación de fotones de rayos X. Hacer brillar un pulso ultracorto de rayos X coherentes sobre la muestra produce un patrón de interferencia de moteado que representa las características magnéticas de la muestra. El seguimiento rápido con un segundo pulso agrega un segundo patrón de moteado encima del primero en el mismo detector. Cualquier fluctuación hará que el segundo patrón sea diferente, por lo que el nivel de borrosidad en la imagen combinada indica la magnitud de las fluctuaciones en la muestra.

"Esta técnica es similar a medir el parpadeo de las estrellas para dilucidar los detalles de la turbulencia en la atmósfera terrestre, "Turner dijo." En este caso, el objetivo de medir el 'parpadeo' de los rayos X detectados es comprender cómo fluctúa la estructura magnética del material y cómo afecta las propiedades del material ".

Uno de los varios desafíos para realizar estas mediciones fue reducir la intensidad de los pulsos de rayos X del LCLS para que no crearan sus propias fluctuaciones en la muestra. Varias técnicas finalmente redujeron el flujo de rayos X que golpean la muestra a una millonésima parte de la energía del pulso original.

"Solo queremos hacerle cosquillas a la muestra, "Dijo Turner." Está muy lejos del típico experimento de 'bomba-sonda' de LCLS, donde los intensos pulsos de rayos X pueden, por diseño, modificar, o incluso destruir las muestras ".

Desarrollar formas de medir las intensidades de rayos X de los pulsos de cada par y sus intervalos de tiempo y detectar tan pocos fotones en los patrones de moteado también fue muy difícil. añadió Matt Seaberg, Científico asociado de SLAC y primer autor del artículo. Los investigadores ajustaron el tiempo entre los pulsos de cada par de una fracción de nanosegundo a 25 nanosegundos (un nanosegundo es una mil millonésima de segundo) y también sintonizaron un campo magnético externo para abarcar un rango de condiciones magnéticas en la muestra.

"Esta es una forma completamente nueva de realizar este tipo de medición, "Dijo Roy." La resolución temporal está limitada por el tiempo que separa los dos pulsos que produce el acelerador ".

Cuando sintonizaron el campo magnético externo para que fuera más ideal para los skyrmions en la muestra, vieron que las fluctuaciones ocurrían con un período de aproximadamente 4 nanosegundos. Pero cuando el campo magnético se redujo ligeramente a donde las estructuras circulares de skyrmion comienzan a dar paso a otra fase con estructuras de dominio magnético rayadas, el período de fluctuación se desplomó a solo una fracción de nanosegundo.

"Este resultado indica que las fluctuaciones son mayores y más rápidas cerca del límite de las fases skyrmion y stripe, ", Dijo Joshua Turner." Esta información es importante para descifrar el papel que juegan las fluctuaciones magnéticas cuando el material se transforma de una fase a otra. También nos permitirá conectarnos con modelos teóricos utilizados para comprender cómo las fluctuaciones promueven las transiciones de fase en una multitud de sólidos magnéticos y de tipo magnético ".

La cultura colegiada en SLAC jugó un papel importante en el éxito de esta investigación, Turner agregó. Los científicos trabajaron en estrecha colaboración con los físicos de aceleradores Jim Turner y Franz-Josef Decker, quien ideó la técnica de los dos baldes.

"Todo esto se debió a la estrecha relación de trabajo entre los físicos de LCLS en el lado de los rayos X junto con los del lado de la física del acelerador, ", dijo." A veces no está claro cómo podemos utilizar sus asombrosos desarrollos. Pero trabajar juntos hizo de este un esfuerzo muy fructífero ".

El mismo equipo continúa utilizando las mismas técnicas para examinar el material de Fullerton con más detalle, y el trabajo futuro planeado para este invierno explorará otros materiales magnéticamente complejos, tales como hielos de espín y superconductores de alta temperatura.