Bagliori magnetici ultraveloci in ossido metallico

Upton, NY – Cosa succede quando impulsi molto brevi di luce laser colpiscono un materiale magnetico? Un’importante collaborazione internazionale guidata dal Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha iniziato a rispondere proprio a questa domanda. Come hanno appena riportato in Proceedings of the National Academy of Sciences, il laser ha disattivato l’ordinamento magnetico attraverso l’intero materiale per diversi picosecondi, o trilionesimi di secondo. Comprendere come cambiano le correlazioni magnetiche su scale temporali ultraveloci è il primo passo per essere in grado di controllare il magnetismo in modi orientati all’applicazione. Ad esempio, con tale controllo, potremmo essere in grado di scrivere dati più rapidamente su dispositivi di memoria o migliorare la superconduttività (il fenomeno in cui la materia conduce elettricità senza perdere energia), che spesso compete con altri stati come il magnetismo.

Il materiale studiato era l’ossido di stronzio-iridio (Sr3Ir2O7), che è un antimagnete con una struttura cristallina a doppio strato e una grande anisotropia magnetica. Negli antiferromagneti, i momenti magnetici, o spin degli elettroni, si allineano in direzioni opposte con gli spin vicini. L’anisotropia significa che gli spin devono pagare un costo attivo per ruotare in qualsiasi direzione casuale; Vogliono davvero sedersi rivolti verso l’alto o verso il basso nella struttura cristallina. Il gruppo di diffusione dei raggi X del Dipartimento di fisica e scienza dei materiali della materia condensata del Brookhaven Laboratory (CMPMS) ha precedentemente studiato questo materiale (e il suo composto gemello monostrato, Sr2IrO4), quindi sono entrati in questo studio con una buona comprensione del suo stato di equilibrio.

“Impulsi laser molto brevi disturbano il sistema, distruggendo il suo sistema magnetico”, ha detto il primo autore Daniel Mazon, ex membro del gruppo e scienziato dello strumento in spettrometria continua ad angolo multiplo (CAMEA) presso l’Istituto Paul Scherer in Svizzera. “In questo studio, eravamo interessati a vedere come il sistema si rilassa al suo stato normale. Abbiamo appreso che il rilassamento avviene in una scala temporale molto veloce e per scattare un’immagine di qualcosa che si muove molto velocemente abbiamo bisogno di impulsi di luce molto brevi. Utilizzando un Sorgente laser elettronica priva di raggi X, possiamo generare impulsi abbastanza brevi da vedere il movimento di atomi e molecole. Tali sorgenti si trovano solo in cinque posti in tutto il mondo: negli Stati Uniti, in Giappone, in Corea, in Germania e in Svizzera.

In questo studio, il team ha condotto esperimenti in due delle cinque strutture. Presso lo SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser (SACLA) in Giappone, hanno eseguito la diffusione flessibile di raggi X risolta nel tempo (tr-REXS). Nello strumento di ispezione della pompa a raggi X del Linac Coherent Light Source – l’impianto per l’utente dell’Ufficio scientifico del Dipartimento dell’energia presso lo SLAC National Accelerator Laboratory – gli scienziati hanno eseguito lo scattering di raggi X anelastico risonante risolta nel tempo (tr-RIXS). In entrambe le tecniche di diffusione, i raggi X (sonda) colpiscono il materiale quasi immediatamente dopo l’impulso laser (pompa). Misurando l’energia e l’angolo delle particelle di luce sparse (fotoni), gli scienziati possono determinare la composizione elettronica del materiale e quindi la composizione magnetica. In questo caso, l’energia dei raggi X è sintonizzata per essere sensibile agli elettroni attorno agli atomi di iridio, che guidano il magnetismo di questo materiale. Mentre tr-REXS può rilevare il grado di ordinamento magnetico a lungo raggio, tr-RIXS può fornire un’immagine delle interazioni magnetiche locali.

“Per osservare il comportamento dettagliato della rotazione, dobbiamo misurare il cambiamento di energia nei raggi X con un’accuratezza molto elevata”, ha spiegato il coautore Mark Dean, un fisico del gruppo di diffusione dei raggi X nel dipartimento CMPMS. “Per fare questo, abbiamo costruito e installato uno spettrometro a raggi X motorizzato allo SLAC”.

I loro dati hanno rivelato come le interazioni magnetiche siano soppresse non solo localmente ma ubiquitariamente. Questa soppressione di picosecondi continua prima che il sistema magnetico ritorni al suo stato antimagnetico iniziale.

“Il sistema a doppio strato non ha metodi efficaci a basso costo per distorcere lo stato magnetico”, ha spiegato Dean. “È bloccato in questo collo di bottiglia in cui il magnetismo è fuori equilibrio e non si riprende, almeno non così rapidamente come in un sistema monostrato”.

“Per la maggior parte delle applicazioni, come l’archiviazione dei dati, è necessaria una rapida trasformazione magnetica”, ha aggiunto Mazzone. “La nostra ricerca suggerisce sistemi in cui la rotazione può indicare quale direzione è la migliore per manipolare il magnetismo”.

Successivamente, il team prevede di esaminare i materiali correlati e spera di manipolare il magnetismo in modi più mirati, ad esempio, modificando la forza con cui “parla” tra due spin adiacenti.

“Se potessimo cambiare la distanza tra due giri e vedere come ciò influisce sulla loro interazione, sarebbe davvero bello”, ha detto Mazzoni. “Capendo come si evolve il magnetismo, possiamo modificarlo e possibilmente generare nuovi stati”.