Brillos magnéticos ultrarrápidos en óxido metálico

Los científicos golpearon un material cristalino con pulsos ultrarrápidos de luz láser y luego usaron rayos X para explorar cómo cambió su disposición magnética. Crédito de la imagen: Cameron Dashwood, University College London.

¿Qué sucede cuando pulsos muy cortos de luz láser golpean un material magnético? Una importante colaboración internacional liderada por el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Ha comenzado a responder esta misma pregunta. Como acabo de mencionar en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, el láser suprimió la disposición magnética 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, podríamos escribir datos más rápidamente en dispositivos de memoria o mejorar la superconductividad (el fenómeno en el que la materia conduce la electricidad sin perder energía), que a menudo compite con otros estados como el magnetismo.


El material estudiado fue óxido de estroncio iridio (Sr.).3Infrarrojo2a7), anti-imán con bicapa estructura cristalina y una gran variación magnética. En los antimagnéticos, los momentos magnéticos, o giros de electrones, alineados en direcciones opuestas con rotaciones adyacentes. La anisotropía significa que los giros deben pagar un costo activo para rotar en cualquier dirección aleatoria; Realmente quieren sentarse mirando hacia arriba o hacia abajo en la estructura de cristal. El grupo de dispersión de rayos X del Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales (CMPMS) del Laboratorio Brookhaven ha estudiado previamente este material (y su compuesto hermano monocapa, Sr.2IrO4), por lo que entraron en este estudio con un buen conocimiento del estado de equilibrio.

“Los pulsos de láser demasiado cortos perturban y destruyen el sistema arreglo magnético“, dijo el primer autor Daniel Mazon, un ex miembro del grupo y ahora un científico de herramientas en análisis de múltiples energías de ángulo continuo (llegó) un espectrómetro en el Instituto Paul Scherrer en Suiza. “En este estudio, estábamos interesados ​​en ver cómo el sistema se relaja a su estado normal. Sabíamos que la relajación ocurre en una escala de tiempo muy rápida, y para tomar una imagen de algo que se mueve muy rápido, necesitamos pulsos de luz muy cortos. Usando una fuente láser electrónica libre de rayos X, podemos generar pulsos lo suficientemente cortos como para ver el movimiento de átomos y moléculas.Estas fuentes solo se encuentran en cinco lugares del mundo: 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 resonantes de resolución temporal (tr-REXS). En el instrumento de sonda de bomba de rayos X de la fuente de luz coherente de Linac, la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional Acelerador de SLAC, los científicos realizaron la dispersión de rayos X inelástica (tr-RIXS). En ambas técnicas de dispersión, los rayos X (sonda) golpean el material casi inmediatamente después del pulso láser (bomba). Al medir la energía y el ángulo de las partículas de luz dispersas (fotones), los científicos pueden determinar la composición electrónica del material y, por tanto, la composición magnética. En este caso, la energía de los rayos X se sintoniza para que sea sensible a los electrones alrededor de los átomos de iridio, que impulsan el magnetismo de este material. Si bien tr-REXS puede detectar el grado de ordenamiento magnético de largo alcance, tr-RIXS puede proporcionar una imagen de las interacciones magnéticas locales.

“Para observar el comportamiento detallado de la rotación, necesitamos medir el cambio de energía en los rayos X con una precisión muy alta”, explicó el coautor Mark Dean, físico del grupo de dispersión de rayos X en el departamento de CMPMS. “Para hacer esto, construimos e instalamos un espectrómetro de rayos X motorizado en SLAC”.

Brillos magnéticos ultrarrápidos en óxido metálico

Diagrama de dispersión de rayos X inelástica (RIXS) y dispersión de rayos X resonantes (REXS). El cuadrado en el medio representa la muestra que es golpeada por un láser (bomba) y luego una radiografía (sonda) casi inmediatamente después. Para los experimentos de RIXS, el equipo construyó un espectrómetro de rayos X motorizado (un círculo de color cobre) para ver cómo funcionan los espines a nivel local. Crédito: Laboratorio Nacional Brookhaven

Sus datos revelaron cómo se suprimen las interacciones magnéticas no solo localmente sino de manera ubicua. Esta supresión de picosegundos continúa antes de que el sistema magnético vuelva a su estado antimagnético inicial.

“El sistema bicapa no tiene métodos efectivos y de bajo costo para la distorsión del estado magnético”, explicó Dean. “Está atascado en este cuello de botella donde el magnetismo está fuera de equilibrio y no se recupera, al menos no tan rápido como en un sistema monocapa”.

“Para la mayoría de las aplicaciones, como el almacenamiento de datos, desea una conmutación magnética rápida”, agregó Mazzone. “Nuestra investigación sugiere sistemas en los que los devanados pueden apuntar en qué dirección es mejor para manipular el magnetismo”.

A continuación, el equipo planea observar materiales relacionados y espera manipular el magnetismo de formas más específicas, por ejemplo, cambiando la fuerza con la que “habla” entre dos giros adyacentes.

“Si pudiéramos cambiar la distancia entre dos vueltas y ver cómo eso afecta su interacción, sería realmente genial”, dijo Mazzoni. “Al comprender cómo evoluciona el magnetismo, podemos modificarlo y posiblemente crear nuevos estados”.


Resaltar imanes bidimensionales


más información:
Daniel J. Mazon et al., Magnetones transitorios inducidos por láser en el padre3Infrarrojo2a7 En todo el distrito de Brillouin, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2021). DOI: 10.1073 / pnas.2103696118

La frase: Iluminación de magnetismo ultrarrápido en óxido de metal (2021, 7 de junio) Recuperado el 7 de junio de 2021 de https://phys.org/news/2021-06-ultrafast-magnetism-metal-oxide.html

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