Los hielos de espín artificial (ASI) son metamateriales magnéticos con propiedades exóticas que dependen de sus geometrías. En los ultimos años, muchos físicos han estudiado estos materiales, ya que sus propiedades únicas podrían ser ventajosas para varias aplicaciones.

Investigadores de la Universidad de Kentucky, Laboratorio Nacional Argonne, El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y otros institutos en los EE. UU. Han introducido recientemente un método para lograr un momento angular orbital (OAM) de rayos X conmutable en sistemas magnéticos ASI. Su enfoque presentado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , podría allanar el camino para nuevas investigaciones que investiguen las propiedades de los sistemas magnéticos, ferroeléctricos, sistemas quirales y nanoestructuras.

"Estoy muy interesado en el tema de los fotones que transportan momento angular orbital (OAM), "Sujoy Roy, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En la comunidad de luz visible se ha trabajado mucho en esta área, pero en el caso de las radiografías ha habido informes limitados. Entonces, empezamos a investigarlo y fuimos los primeros en generar con éxito OAM con haces de rayos X suaves ".

En un artículo anterior publicado en Fotónica de la naturaleza , Roy y sus colegas demostraron que podían generar con éxito haces de rayos X suaves portadores de OAM fabricando una rejilla especializada con una dislocación de horquilla. Después, mientras investigaban ASI cuadrados 2D, Comenzaron a investigar la generación de vigas OAM en casos en los que la celosía cuadrada de un material tiene un defecto de horquilla.

"Esto fue particularmente interesante porque nuestra red era magnética; por lo tanto, se organiza antiferromagnéticamente por debajo de la temperatura de orden, "Roy dijo." Ahora la pregunta es, si introducimos un tenedor, ¿Qué pasa con el antiferromagnet? ¿La muestra todavía entra en un estado antiferromagnético? Después de una serie de discusiones y lluvia de ideas dentro del grupo, llegamos a la conclusión de que al insertar una doble dislocación, la muestra aún podrá pasar a un estado antiferromagnético ".

Los ASI son matrices modeladas de nanoimanes que tienen algunas propiedades comunes con el hielo de agua. Los ASI a menudo pueden "frustrarse, "lo que esencialmente significa que los imanes contenidos dentro de ellos no pueden alinearse con sus vecinos de manera que se minimice la energía involucrada en sus interacciones. Como observó Linus Pauling en 1935, Los átomos de hidrógeno en el hielo de agua suelen estar dispuestos de forma similar.

Hace aproximadamente una década, los físicos demostraron que los ASI cuadrados, estudiado por primera vez por un equipo de investigación en la Universidad de Penn State, no están realmente "frustrados, "pero en cambio entran en un estado fundamental antiferromagnético bien ordenado. Esto fue predicho por primera vez en 2006 por Möller y Moessner y demostrado experimentalmente en 2011 por Christopher Marrows y sus colegas de la Universidad de Leeds. Cuando se encuentran en un estado fundamental antiferromagnético, los imanes en la celosía están orientados de tal manera que se anulan, para que no haya magnetización neta del ASI.

"Hemos estado trabajando en el área de los hielos de espín artificial (ASI) durante algún tiempo en colaboración con el profesor Lance De Long de la Universidad de Kentucky, "Todd Hastings, otro investigador involucrado en el estudio reciente, dijo Phys.org. "Otro grupo, dirigido por John Cumings en la Universidad de Maryland, demostraron que la introducción de una dislocación en horquilla (carga topológica 1) en un ASI cuadrado reintroduce la frustración y evita la formación de un único estado fundamental antiferromagnético. Nuestro equipo reconoció que la introducción de una dislocación de doble horquilla (carga topológica 2) podría permitir la reforma del estado fundamental antiferromagnético ".

En el ASI examinado por Roy, Hastings y sus colegas, la carga topológica (es decir, número del defecto de la horquilla) en la estructura es 2, mientras que el del antiferromagnet es 1, dando lugar a dos cargas topológicas diferentes en un solo sistema. Además de explorar cómo la introducción y eliminación de la frustración puede cambiar la carga de un solo defecto en los sistemas ASI cuadrados, los investigadores observaron cómo se dispersarían los rayos X de estas estructuras.

"Durante algún tiempo, habíamos estado pensando en cómo crear haces de rayos X con OAM que pudieran encenderse y apagarse, "Hastings explicó." El OAM portador de luz puede hacer que pequeños objetos orbiten el centro del haz y ha permitido aplicaciones tan diversas como la criptografía cuántica, pinzas ópticas, y telecomunicaciones. Si bien la OAM de rayos X es mucho menos común, se puede crear por difracción a partir de estructuras con defectos de horquilla. Por lo tanto, planteamos la hipótesis de que los rayos X dispersos desde ASI cuadrados con defectos bifurcados también llevarían OAM ".

Un equipo de investigación dirigido por Laura Heyderman en ETH Zurich y el Instituto Paul Scherrer demostró que al aplicar un campo magnético externo a los ASI cuadrados, podrían colocarse en estado ferromagnético, en el que todos los nanoimanes están orientados en la misma dirección. Inspirado en este trabajo anterior, Roy y Hastings plantearon la hipótesis de que un campo magnético aplicado también podría apagar los haces OAM dispersos magnéticamente, y que estos rayos se volverían a encender cuando el sistema volviera a su estado fundamental.

"Con este, la imagen completa se reunió de un sistema que podría producir haces de rayos X con momentos angulares orbitales de diferente orden y en el que los haces dispersos magnéticamente podrían encenderse y apagarse, "Dijo Hastings.

Los rayos X tienden a ser sensibles a la densidad de un material, pero no muy sensible al momento magnético. Para lograr rayos X que sean sensibles a señales magnéticas, Los investigadores emplearon una técnica llamada Dispersión magnética de rayos X resonantes (RXMS), con un haz coherente (es decir, uno con una amplitud y fase bien definidas). Esta técnica les permitió lograr una mayor sensibilidad magnética, sintonizando la energía del haz incidente con el borde de absorción de un elemento.

"En nuestro caso, sintonizamos el borde de hierro L3 que está en 707 eV (como referencia, La radiación de Cu K alfa es de 8 keV) y luego lo difractamos usando un haz de rayos X coherente, Roy explicó. Debido a la coherencia del haz, la fase del haz difractado actuó de manera coherente, de modo que todo el haz de salida adquirió un frente de fase helicoidal que dio lugar a OAM ".

Cuando los investigadores llevan a cabo un experimento de difracción utilizando técnicas RXMS, pueden observar picos fuertes en ciertos ángulos que satisfacen la condición de Bragg, donde los rayos X dispersos interfieren constructivamente. Como el espaciado de la celosía en los antiferromagnetos es el doble que el de las celosías estructurales, el pico antiferromagnético generalmente aparece en una posición diferente. Esta diferencia de posición ayuda a los investigadores a distinguir entre picos de difracción de carga y magnéticos.

"Cuando difractamos de la matriz bidimensional bifurcada, obtenemos haces OAM tanto en los picos de Bragg estructurales como en los picos de Bragg magnéticos, "Dijo Roy." Sin embargo, debido a las dos cargas topológicas diferentes, vemos diferente contenido de OAM en los picos de Bragg estructurales y magnéticos. Es más, como podemos controlar el hielo artificial con un campo aplicado, esto implicaba que podríamos controlar el contenido OAM del haz ".

Los nanoimanes en los ASI utilizados por Roy, Hastings y sus colegas estaban hechos de permalloy, una aleación de níquel y hierro. Para crear el sistema que examinaron, los investigadores escribieron un patrón en un polímero en una oblea de silicio, utilizando una técnica llamada litografía por haz de electrones.

"Luego, nuestra muestra se recubrió con permalloy evaporando el material al vacío (evaporación por haz de electrones), lo que permitió que se depositara sobre el patrón, "Dijo Hastings." Posteriormente, retiramos el polímero y la permalloy que descansaba sobre las regiones sin patrón (lo que se conoce como proceso de despegue). Cada nanomaimán tenía 470 nm de largo, 170 nm de ancho, y solo 3 nm de espesor. Un cabello humano tiene alrededor de 100, 000 nm de diámetro, así que si pusieras estos imanes de punta, unos 15 millones de ellos cabrían en la punta de un cabello humano ".

Cuando los haces de rayos X se difractaron en el ángulo adecuado y cuando el haz se sintonizó con el borde magnético L3 del hierro, los investigadores encontraron que el sistema ASI que examinaron entró en un estado fundamental antiferromagnético. Posteriormente confirmaron la presencia de este estado mediante imágenes directas de la magnetización de los nanoimanes en el sistema. utilizando una técnica conocida como microscopía electrónica de fotoemisión de dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD-PEEM). Usando esta técnica, iluminaron el ASI con rayos X y capturaron los electrones emitidos por los nanoimanes en un microscopio electrónico.

"Durante los experimentos de dispersión de rayos X, Calentamos la muestra hasta aproximadamente 100 ° C para mostrar que los haces dispersos magnéticamente podrían apagarse con la temperatura cuando el ASI cambia de orden antiferromagnético a un estado paramagnético, "Dijo Hastings." Es interesante que la permalloy en sí no se vuelve paramagnética hasta aproximadamente 600 ° C, por lo que el ASI está imitando un paramagnet mientras que el permalloy permanece ferromagnético ".

Los investigadores también aplicaron un campo magnético al ASI que examinaron para orientar todos sus imanes en la misma dirección. En lugar de girar en el campo magnético externo, los nanoimanes cambiaron su dirección de magnetización internamente. Los investigadores encontraron que una vez que el ASI ya no estaba en el estado fundamental antiferromagnético, los rayos OAM de rayos X magnéticamente dispersos desaparecieron.

"Hasta aquí, la generación de haz OAM en régimen de rayos X fue una tarea no trivial, "Dijo Roy." Ahora que podemos generar estos rayos y también tenemos una forma de controlarlos, abre nuevas posibilidades. Por ejemplo, Estos haces se pueden utilizar para estudiar texturas de espín topológico en sistemas magnéticos, vórtices polares en ferroeléctricos, sistemas quirales y nanoestructuras ".

El enfoque para generar un OAM de rayos X conmutable a partir de ASI ideado por Roy, Hastings y sus colegas podrían tener numerosas aplicaciones interesantes. Además de informar nuevos estudios que examinan diversos materiales, podría abrir nuevas posibilidades para el uso de rayos X en la ciencia de la información cuántica. Es más, utilizando los métodos empleados por este equipo de investigación, los físicos podrían identificar otros materiales que podrían usarse para generar haces de rayos X personalizados.

"La capacidad de generar OAM de rayos X controlable proporciona una nueva y emocionante herramienta para estudiar otros materiales, ", Dijo Hastings." Nuestro estudio también proporciona una idea de cómo se comportan los hielos de espín artificial en presencia de los llamados defectos topológicos. Es decir, ahora sabemos que los ASI cuadrados libres de defectos no se frustran y ordenan antiferromagnéticamente, que defectos con carga topológica de uno introducen frustración, y los defectos de la carga topológica dos eliminan la frustración ".

Roy, Hastings y sus colaboradores ahora están tratando de determinar si los rayos generados en sus experimentos son sensibles a características específicas de otros materiales. Si este es el caso, sus hallazgos podrían crear nuevos caminos y horizontes para la investigación que explore diferentes sistemas de materiales.

"Además de aplicar rayos X OAM para estudiar otros materiales, también estamos estudiando ASI más complejos que pueden generar diferentes haces OAM, explorar nuevas formas de cambiar OAM, y tratando de aprender cómo los defectos topológicos afectan el comportamiento de las ASI con más detalle, "Dijo Hastings.

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