Figura 1:(a) Ilustración de la configuración de resonancia ferromagnética difractiva (DFMR). La muestra se coloca en una guía de ondas coplanar, que está montado dentro del difractómetro de rayos X suave RASOR en la línea de luz I10. Se aplica un campo magnético en el plano de dispersión (sombreado en gris) a lo largo de la guía de ondas coplanar. La energía de los rayos X incidentes se sintoniza con los bordes L de los metales de transición de interés (en este caso, el borde L3 de Fe). Las medidas tanto estáticas como dinámicas se realizan utilizando un fotodiodo para la detección de los picos de difracción. Para mediciones dinámicas de DFMR, se selecciona un pico de difracción específico y se aplica una señal de bomba de microondas modulada en amplitud. En Diamond, los rayos X de sondeo se pulsan a ∼500 MHz. Se utiliza un generador de peine para proporcionar armónicos más altos de esta frecuencia de pulso hasta 10 GHz, y una línea de retardo permite el desplazamiento de fase relativo de la señal de microondas con respecto a los pulsos de rayos X. El lado derecho muestra los barridos de retardo DFMR del pico de Bragg magnético de hexaferrita de tipo Y BaSrMg2Fe12O22 en función del ángulo de polarización. Mediciones de (b) el modo anisotrópico a 6 GHz y (c) el modo isotrópico A a 2 GHz. Crédito:Fuente de luz de diamante
A medida que la nanoelectrónica encuentra barreras fundamentales, el giro de un electrón, además de su cargo, se utiliza para transportar información en dispositivos electrónicos. Esto requiere nuevos métodos de caracterización y detección de modos de giro en estructuras magnéticas complejas. Las técnicas actuales miden las propiedades de los materiales en la escala de longitud nanométrica o en la escala de tiempo de picosegundos, sin embargo, ambos son necesarios simultáneamente para obtener una imagen completa a fin de avanzar en los desarrollos tecnológicos futuros.
Investigadores del Grupo de Espectroscopía Magnética de Diamond Light Source, la Universidad de Oxford, y la Universidad ShanghaiTech han desarrollado una técnica novedosa de resonancia ferromagnética difractiva (DFMR) para recuperar la dinámica de los modos de giro individuales. DFMR combina el poder de dos técnicas de medición, Dispersión de rayos X elástica resonante (REXS) para recuperar la estructura de giro detallada de un sistema magnético, y resonancia ferromagnética detectada por rayos X (XFMR) para acceder a la dinámica de magnetización selectiva de elementos. La reciente publicación del equipo en Nano Letters demuestra su técnica DFMR mediante el estudio de la dinámica de espín de una hexaferrita multiferroica, que tiene un gran potencial para aplicaciones de almacenamiento de información.
Estudios experimentales de dinámica de magnetización
El estudio de la dinámica de magnetización es crucial para el desarrollo de nuevos materiales y dispositivos de almacenamiento magnético. que normalmente se componen de varias capas diferentes. La técnica más utilizada, resonancia ferromagnética (FMR), da una idea de la dinámica de magnetización integrada dentro de estos sistemas complejos. Aquí es donde la radiación de sincrotrón ofrece una solución. Haciendo uso del efecto de dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD), se obtiene contraste magnético y químico, que permite estudiar la dinámica de magnetización específica del elemento en FMR detectado por rayos X.
La técnica difractiva de FMR
La técnica DFMR es una unión de REXS, que revela la estructura magnética estática en el espacio recíproco, y XFMR, que se utiliza para revelar la dependencia temporal de esta estructura. El equipo de investigación llevó a cabo sus mediciones en el difractómetro RASOR en la línea de luz I10 de Diamond, que proporciona tanto temperaturas de muestra variables como campos magnéticos. Los rayos X incidentes están sintonizados con L2, 3 borde de absorción del elemento de metal de transición 3d de interés, y la condición de difracción magnética se puede cumplir típicamente para modulaciones de espín de 10 a 100 nm. La dinámica de magnetización se muestrea estroboscópicamente, haciendo uso de la estructura de pulsos de rayos X del sincrotrón de 500 MHz (el reloj del oscilador maestro del anillo de almacenamiento de Diamond) y la sincronización con un campo de microondas aplicado a la muestra. Una línea de retardo permite el cambio de fase de la oscilación de microondas con respecto a los pulsos de rayos X. De esta manera, la señal magnética se puede monitorear en función del retardo entre la excitación de microondas (bomba) y la llegada del grupo de rayos X (sonda). DFMR combina REXS y XFMR midiendo el cambio en la intensidad de los picos dispersos que resultan del sondeo estroboscópico de la estructura magnética. En la Figura 1 se muestra un esquema de la configuración experimental junto con escaneos de retardo DFMR medidos de los picos magnéticos en función del ángulo de polarización lineal.
Próximos pasos
Han jugado materiales magnéticos innovadores, y seguirá jugando, un papel fundamental para el aumento de la capacidad de almacenamiento de datos en los próximos años. Su desarrollo continuo, y especialmente debido al advenimiento del complejo, sistemas magnéticos ordenados topológicamente, requiere herramientas de caracterización ultrasensibles adecuadas en su dominio de frecuencia de GHz nativo. Con DFMR, El equipo ha establecido una herramienta clave que ayudará a los investigadores en su búsqueda para sintetizar y diseñar nuevos materiales skyrmion y multiferroic en los que los momentos magnéticos ordenados se pueden manipular mediante la aplicación de campos eléctricos o magnéticos. con el objetivo de desarrollar soluciones de procesamiento de datos de alta densidad y bajo consumo de energía.
El autor principal, el Dr. David Burn, explica:
"Creemos que el desarrollo de FMR difractiva representa un gran avance para la espintrónica, ya que permite, por primera vez, el estudio de los modos de magnetización dinámica hasta la nanoescala con espacial, resolución temporal y química. Esta escala de longitud, en combinación con un rango dinámico de 10 GHz, es crucial para el desarrollo de dispositivos de memoria y lógica magnética post-CMOS. Estamos seguros de que tendrá un impacto significativo en la comunidad científica en general ".
