Bosquejo esquemático del experimento de dispersión con dos procesos en competencia. El haz de rayos X suave (flecha azul, desde la izquierda) golpea la muestra magnética (área circular) donde se dispersa desde el microscopio, patrón de magnetización en forma de laberinto. En este proceso, un fotón de rayos X es absorbido primero por un electrón del núcleo de cobalto 3p (a). El estado excitado resultante puede entonces relajarse espontáneamente (b), emitiendo un fotón en una nueva dirección (flecha violeta). Esta luz dispersa se registra como la señal de interés en los experimentos. Sin embargo, si otro fotón de rayos X encuentra un estado ya excitado, se produce una emisión estimulada (c). Aquí, se emiten dos fotones idénticos en la dirección del haz incidente (flecha azul hacia la derecha). Esta luz transporta muy poca información sobre la magnetización de la muestra y generalmente se bloquea por razones prácticas. Crédito:MBI Berlín
Los láseres de rayos X de electrones libres brindan pulsos ultracortos de rayos X, que se puede utilizar para obtener imágenes de objetos a escala nanométrica en una sola toma. Cuando la longitud de onda de los rayos X se sintoniza con una resonancia electrónica, los patrones de magnetización pueden hacerse visibles. Cuando se utilizan pulsos cada vez más intensos, sin embargo, la imagen de magnetización se desvanece. El mecanismo responsable de esta pérdida de intensidad de dispersión magnética resonante se ha aclarado ahora.
Al igual que en la fotografía con flash, Se pueden usar destellos cortos pero intensos de rayos X para registrar imágenes o patrones de difracción de rayos X que "congelan" el movimiento que es más lento que la duración del pulso de rayos X. La ventaja de los rayos X sobre la luz visible es que los objetos de escala nanométrica pueden distinguirse debido a la longitud de onda corta de los rayos X. Es más, si la longitud de onda de los rayos X se sintoniza correspondiente a energías particulares para las transiciones electrónicas, los investigadores pueden producir un contraste único, por ejemplo, para hacer visible la magnetización de diferentes dominios dentro de un material. La fracción de rayos X dispersos desde un patrón de dominio magnético, sin embargo, disminuye cuando aumenta la intensidad de los rayos X en el pulso. Si bien este efecto se observó en las primeras imágenes de dominios magnéticos registradas con un láser de rayos X de electrones libres en 2012, Se han propuesto diversas explicaciones para explicar esta pérdida en la intensidad de los rayos X dispersos.
Un equipo de investigadores de MBI Berlin, junto con colegas de Italia y Francia, ha registrado ahora con precisión la dependencia de la intensidad de dispersión magnética resonante en función de la intensidad de rayos X incidente por unidad de área (la "fluencia") en una muestra de dominio ferromagnético. A través de la integración de un dispositivo para detectar la intensidad de cada disparo que golpea el área de muestra real, Pudieron registrar la intensidad de dispersión en tres órdenes de magnitud en fluencia con una precisión sin precedentes, a pesar de las variaciones intrínsecas de disparo a disparo del haz de rayos X que incide en las diminutas muestras. Los experimentos con rayos X suaves se llevaron a cabo en el láser de rayos X de electrones libres FERMI en Trieste, Italia.
Dependencia de la fluencia de la señal de dispersión magnética para dos duraciones de pulso de rayos X suaves diferentes. En el caso de emisión estimulada, que es responsable de una fluencia-dependencia similar en la transición de Co 2p a valencia, Se espera que ambas curvas coincidan en esta representación. En lugar de, los pulsos más largos de 120 fs conducen a una dispersión significativamente menor. Esto se explica bien por un modelo que solo tiene en cuenta la desmagnetización ultrarrápida inducida por el haz de rayos X suave (líneas continuas, las áreas sombreadas representan la incertidumbre del modelo). Crédito:MBI Berlín
La magnetización es una propiedad directamente acoplada a los electrones de un material, que componen el momento magnético a través de su giro y movimiento orbital. Por sus experimentos, los investigadores utilizaron patrones de dominios ferromagnéticos que se forman en multicapas que contienen cobalto, un material prototípico que se utiliza a menudo en experimentos de dispersión magnética en láseres de rayos X. En la interacción con los rayos X, la población de electrones se ve alterada y los niveles de energía se pueden alterar. Ambos efectos pueden conducir a una reducción de la dispersión, ya sea a través de una reducción transitoria de la magnetización real en el material debido a la reorganización de electrones con espín diferente, o al no poder detectar más la magnetización debido al cambio en los niveles de energía. Es más, Se ha debatido si el inicio de la emisión estimulada a altas fluencias de rayos X administradas durante un pulso de aproximadamente 100 femtosegundos de duración puede ser responsable de la pérdida de intensidad de dispersión. El mecanismo en el último caso se debe al hecho de que en la emisión estimulada, la dirección de un fotón emitido se copia del fotón incidente. Como resultado, el fotón de rayos X emitido no contribuiría a que el haz se dispersara lejos de la dirección original, como se muestra en la figura 1.
En los resultados presentados en Cartas de revisión física , Los investigadores muestran que si bien la pérdida de dispersión magnética en resonancia con los niveles del núcleo de Co 2p se ha atribuido en el pasado a la emisión estimulada, para la dispersión en resonancia con los niveles de núcleo Co 3p menos profundos, este proceso no es significativo. Los datos experimentales en todo el rango de fluencia están bien descritos simplemente considerando la desmagnetización real que ocurre dentro de cada dominio magnético. que los investigadores de MBI habían caracterizado previamente con experimentos basados en láser.
Dada la corta vida útil de los niveles centrales de Co 3p de aproximadamente un cuarto de femtosegundo, que está dominado por la descomposición de Auger, Es probable que los electrones calientes generados por la cascada Auger en concierto con los eventos subsiguientes de dispersión de electrones conduzcan a una reorganización de los electrones de espín hacia arriba y hacia abajo, apagando transitoriamente la magnetización. Como esta magnetización reducida se manifiesta dentro de la duración de los pulsos de rayos X utilizados (70 y 120 femtosegundos) y persiste durante mucho más tiempo, la última parte del pulso de rayos X interactúa con un patrón de dominio donde la magnetización realmente se ha desvanecido. Esto está en línea con la observación de que se observa una menor reducción de la dispersión magnética cuando se golpea la muestra magnética con el mismo número de fotones de rayos X dentro de una duración de pulso más corta (Figura 2). A diferencia de, si la emisión estimulada fuera el mecanismo dominante, se esperaría el comportamiento contrario.
Más allá de aclarar el mecanismo en funcionamiento, Los hallazgos tienen ramificaciones importantes para futuros experimentos de un solo disparo en materiales magnéticos en láseres de rayos X de electrones libres. Similar a la situación en biología estructural, donde la obtención de imágenes de moléculas de proteínas mediante intensos pulsos de rayos X láser puede verse obstaculizada por la destrucción de la molécula durante el pulso, Los investigadores que investigan nanoestructuras magnéticas también deben elegir sabiamente la fluencia y la duración del pulso en sus experimentos. Con la dependencia de la fluencia de la dispersión magnética resonante trazada, Los investigadores de láseres de rayos X ahora tienen una guía para diseñar sus experimentos futuros en consecuencia.
