Los científicos golpearon un material cristalino con pulsos ultrarrápidos de luz láser y luego usaron rayos X para investigar cómo cambia su orden magnético. Crédito de la imagen:Cameron Dashwood, University College de Londres.
¿Qué sucede cuando pulsos muy cortos de luz láser golpean un material magnético? Una gran colaboración internacional liderada por el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) se propuso responder a esta misma pregunta. Como acaban de informar en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , el orden magnético suprimido por láser en todo el material durante varios picosegundos, o billonésimas de segundo. Comprender cómo cambian las correlaciones magnéticas en escalas de tiempo ultrarrápidas es el primer paso para poder controlar el magnetismo en formas orientadas a la aplicación. Por ejemplo, con tal control, es posible que podamos escribir datos más rápidamente en dispositivos de memoria o mejorar la superconductividad (el fenómeno en el que un material conduce electricidad sin pérdida de energía), que a menudo compite con otros estados como el magnetismo.
El material estudiado fue óxido de estroncio e iridio (Sr 3 Ir 2 O 7 ), un antiferromagnet con una estructura cristalina bicapa y una gran anisotropía magnética. En un antiferromagnet, los momentos magnéticos, o espines de electrones, alinear en direcciones opuestas a los giros vecinos. La anisotropía significa que los giros deben pagar un costo energético para rotar en cualquier dirección aleatoria; realmente quieren sentarse apuntando hacia arriba o hacia abajo en la estructura cristalina. El Grupo de Dispersión de Rayos X de la División de Física de la Materia Condensada y Ciencia de Materiales (CMPMS) de Brookhaven Lab ha estudiado previamente este material (y un compuesto hermano de una sola capa, Sr 2 IrO 4 ), por lo que entraron en este estudio con un buen conocimiento de su estado de equilibrio.
"Los pulsos de láser muy cortos perturban el sistema, destruyendo su orden magnético, "dijo el primer autor Daniel Mazzone, ex miembro del grupo y ahora científico de instrumentos en el espectrómetro de Análisis de Energía Múltiple de Ángulo Continuo (CAMEA) en el Instituto Paul Scherrer en Suiza. "En este estudio, estábamos interesados en ver cómo el sistema se relaja de nuevo a su estado normal. Sabíamos que la relajación ocurre en una escala de tiempo muy rápida, y tomar una foto de algo que se mueve muy rápido, necesitamos pulsos de iluminación muy cortos. Con una fuente láser de rayos X de electrones libres, podemos generar pulsos lo suficientemente cortos para ver el movimiento de átomos y moléculas. Estas fuentes solo existen en cinco lugares del mundo:en los Estados Unidos, Japón, Corea, Alemania, y Suiza ".
En este estudio, el equipo realizó experimentos en dos de las cinco instalaciones. En el láser de electrones libres compacto SPring-8 Angstrom (SACLA) en Japón, realizaron dispersión de rayos X elástica resonante de resolución temporal (tr-REXS). En el instrumento de sonda de bomba de rayos X de la fuente de luz coherente Linac, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC, los científicos realizaron dispersión de rayos X inelástica resonante resonante en el tiempo (tr-RIXS). En ambas técnicas de dispersión, Los rayos X (sonda) inciden sobre el material casi inmediatamente después del pulso láser (bomba). Midiendo la energía y el ángulo de las partículas de luz dispersas (fotones), los científicos pueden determinar la estructura electrónica del material y, por tanto, la configuración magnética. En este caso, la energía de rayos X se sintonizó para ser sensible a los electrones alrededor de los átomos de iridio, que impulsan el magnetismo en este material. Si bien tr-REXS puede revelar el grado de orden magnético de largo alcance, tr-RIXS puede proporcionar una imagen de las interacciones magnéticas locales.
"Para observar el comportamiento detallado de los giros, necesitamos medir el cambio de energía de los rayos X con una precisión muy alta, "explicó el coautor para correspondencia Mark Dean, un físico en el Grupo de Dispersión de Rayos X de la División CMPMS. "Para hacerlo, construimos e instalamos un espectrómetro de rayos X motorizado en SLAC ".
Un esquema de las configuraciones de dispersión de rayos X resonante inelástica (RIXS) y dispersión de rayos X elástica resonante (REXS). El cuadrado del medio representa la muestra, que se golpea con un láser (bomba) y luego rayos X (sonda) casi inmediatamente después. Para los experimentos de RIXS, el equipo construyó un espectrómetro de rayos X motorizado (círculo de color cobre) para ver cómo se comportan los espines a nivel local. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Sus datos revelaron cómo se suprimen las interacciones magnéticas no solo a nivel local sino en todas partes. Esta supresión persiste durante picosegundos antes de que el orden magnético vuelva a su estado antiferromagnético inicial.
"El sistema bicapa no tiene formas energéticamente económicas de deformar el estado magnético, "explicó Dean." Se atasca en este cuello de botella donde el magnetismo está fuera de equilibrio y no se recupera, al menos no tan rápido como en el sistema monocapa ".
"Para la mayoría de las aplicaciones, como el almacenamiento de datos, quieres un cambio magnético rápido, ", agregó Mazzone." Nuestra investigación sugiere sistemas en los que los giros pueden apuntar en cualquier dirección que sea mejor para manipular el magnetismo ".
Próximo, el equipo planea examinar materiales relacionados y espera manipular el magnetismo de formas más específicas, por ejemplo, cambiando la fuerza con la que dos giros vecinos "se comunican" entre sí.
"Si podemos cambiar la distancia entre dos giros y ver cómo afecta eso a su interacción, Eso sería genial, ", dijo Mazzone." Con una comprensión de cómo evoluciona el magnetismo, podríamos modificarlo, tal vez generando nuevos estados ".
