Una nueva forma de operar el poderoso láser de rayos X en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía ha permitido a los investigadores detectar y medir fluctuaciones en las estructuras magnéticas que se están considerando para nuevas tecnologías de almacenamiento y computación de datos.
En un artículo publicado a principios de este mes en Cartas de revisión física , un equipo dirigido por Joshua Turner, científico del personal de SLAC, y Sujoy Roy, científico del personal del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Berkeley Lab, informaron medir las fluctuaciones en estas estructuras, llamadas skyrmions magnéticos, con una mil millonésima de segundoresolución, 1.000 veces mejor de lo que había sido posible antes.
captura de texturas de giro fluctuantes
Los Skyrmions son texturas de espín de vórtice de múltiples átomos en las que las orientaciones de giro de los átomos cambian de una dirección en el medio a la dirección opuesta en la circunferencia. Se mueven fácilmente en respuesta a campos eléctricos, lo que los hace atractivos para su uso en el almacenamiento de datos.tecnologías, memorias de registro de desplazamiento, así como tecnologías informáticas avanzadas.
Los aspectos de carga y espín de los átomos no son rígidos. Responden a una serie de fuerzas con vibraciones y otros movimientos, llamados colectivamente fluctuaciones, algunos de los cuales incluso afectan el movimiento de los átomos mismos. Los teóricos han propuesto recientemente que las fluctuacionespuede tener un papel clave en la determinación de cómo se comportan los materiales complejos, como en el fenómeno de la superconductividad de alta temperatura.
Sin embargo, hasta ahora no había forma de analizar las fluctuaciones de skyrmion en las estructuras de película delgada necesarias para las aplicaciones tecnológicas. Este nuevo resultado fue posible gracias a un modo de "dos cubos" desarrollado recientemente para crear pares de pulsos de rayos Xen el láser de electrones libres Linac Coherent Light Source LCLS de SLAC que permite a los investigadores estudiar los fenómenos de equilibrio que tienen lugar en períodos de tiempo de menos de una milmillonésima de segundo de duración por primera vez.
Si bien los pulsos LCLS individuales generalmente están separados por aproximadamente 8 milésimas de segundo, la técnica de dos cubos crea pares de pulsos que pueden estar tan cerca como un tercio de una mil millonésima de segundo. Cuando se enteró del modo de dos cubosHace dos años, Turner supo de inmediato que debería ser útil para medir fluctuaciones en sistemas magnéticos, como los skyrmions.
"Antes de este estudio, los científicos han utilizado LCLS para estudiar la física del desequilibrio en escalas de tiempo aún más rápidas", explicó Turner. "La nueva técnica abre la puerta a toda una categoría de experimentos que ahora se pueden realizar en equilibrio en una X-Láseres de electrones libres de rayos. "
Por coincidencia, Roy, un viejo amigo de Turner, había estado usando rayos X suaves en la fuente de luz avanzada ALS de Berkeley Lab para examinar los skyrmions y sus fluctuaciones, más recientemente en un material en capas de hierro-gadolinio cultivado por UC-SanEric Fullerton, profesor de Diego. Los dos acordaron rápidamente usar LCLS para ver si, en colaboración con Fullerton, podían ver fluctuaciones rápidas de skyrmion usando la misma muestra.
Uso de rayos X para detectar cambios magnéticos
El proceso de detección utilizado para ver las fluctuaciones se llama espectroscopia de correlación de fotones de rayos X. Hacer brillar un pulso ultracorto de rayos X coherentes en la muestra produce un patrón de interferencia de moteado que representa las características magnéticas de la muestra. Realice un seguimiento rápido con un segundo pulsoagrega un segundo patrón de motas encima del primero en el mismo detector. Cualquier fluctuación hará que el segundo patrón sea diferente, por lo que el nivel de borrosidad en la imagen combinada indica la magnitud de las fluctuaciones en la muestra.
"Esta técnica es similar a medir el parpadeo de las estrellas para dilucidar los detalles de la turbulencia en la atmósfera de la Tierra", dijo Turner. "En este caso, el objetivo de medir el 'parpadeo' de los rayos X detectados es comprender cómola estructura magnética está fluctuando y cómo afecta las propiedades del material ".
Uno de los varios desafíos para realizar estas mediciones fue reducir la intensidad de los pulsos de rayos X del LCLS para que no crearan sus propias fluctuaciones en la muestra. Varias técnicas finalmente redujeron el flujo de rayos X que golpean la muestra a una millonésima parte delenergía de pulso original.
"Queremos simplemente hacerle cosquillas a la muestra", dijo Turner. "Está muy lejos del típico experimento de 'bomba-sonda' de LCLS, donde los intensos pulsos de rayos X pueden, por diseño, modificar o incluso destruir las muestraslejos."
Desarrollar formas de medir las intensidades de rayos X de los pulsos de cada par y sus intervalos de tiempo y detectar tan pocos fotones en los patrones de motas también fue muy difícil, agregó Matt Seaberg, científico asociado de SLAC y primer autor del artículo.los investigadores ajustaron el tiempo entre los pulsos de cada par de una fracción de nanosegundo a 25 nanosegundos un nanosegundo es una mil millonésima de segundo y también sintonizaron un campo magnético externo para abarcar un rango de condiciones magnéticas en la muestra.
"Esta es una forma completamente nueva de hacer este tipo de medición", dijo Roy. "La resolución temporal está limitada por el tiempo que separa los dos pulsos que produce el acelerador".
Cuando sintonizaron el campo magnético externo para que fuera más ideal para los skyrmions en la muestra, vieron que las fluctuaciones ocurrían con un período de aproximadamente 4 nanosegundos. Pero cuando el campo magnético se redujo ligeramente hasta donde las estructuras circulares del skyrmion comienzan a ceder.a otra fase con estructuras de dominio magnético rayadas, el período de fluctuación se desplomó a solo una fracción de nanosegundo.
"Este resultado indica que las fluctuaciones son más grandes y más rápidas cerca del límite de las fases skyrmion y stripe", dijo Joshua Turner. "Esta información es importante para descifrar el papel que juegan las fluctuaciones magnéticas cuando el material se transforma de una fase ael otro. También nos permitirá conectarnos con modelos teóricos utilizados para comprender cómo las fluctuaciones promueven las transiciones de fase en una multitud de sólidos magnéticos y de tipo magnético ".
La cultura colegiada en SLAC jugó un papel importante en el éxito de esta investigación, agregó Turner. Los científicos trabajaron en estrecha colaboración con los físicos de aceleradores Jim Turner y Franz-Josef Decker, quienes idearon la técnica de dos cubos.
"Todo esto se debió a la estrecha relación de trabajo entre los físicos de LCLS en el lado de los rayos X junto con los del lado de la física del acelerador", dijo. "A veces no está claro cómo podemos usar sus asombrosos desarrollos. Perotrabajar juntos hizo de este un esfuerzo muy fructífero ".
El mismo equipo continúa usando las mismas técnicas para examinar el material de Fullerton con más detalle, y el trabajo futuro planeado para este invierno explorará otros materiales magnéticamente complejos, como los hielos de espín y los superconductores de alta temperatura.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC . Original escrito por Mike Ross. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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