Uma nova maneira de operar o poderoso laser de raios X no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia permitiu aos pesquisadores detectar e medir flutuações em estruturas magnéticas que estão sendo consideradas para novas tecnologias de armazenamento de dados e computação.

Em um artigo publicado no início deste mês em Cartas de revisão física , uma equipe liderada por Joshua Turner, Cientista da equipe do SLAC, e Sujoy Roy, cientista da equipe do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), relataram medir as flutuações nessas estruturas, chamados skyrmions magnéticos, com resolução de bilionésimo de segundo, 1, 000 vezes melhor do que antes.

Capturando Texturas de Giro Flutuantes

Skyrmions são texturas de spin de vórtice com vários átomos em que as orientações de spin dos átomos mudam de uma direção no meio para a direção oposta na circunferência. Eles se movem facilmente em resposta a campos elétricos, o que os torna atraentes para uso em tecnologias de armazenamento de dados, memórias de registro de deslocamento, bem como tecnologias de computação avançadas.

Os aspectos de carga e spin dos átomos não são rígidos. Eles respondem a uma série de forças com vibrações e outros movimentos - chamados coletivamente de flutuações - alguns dos quais até afetam o movimento dos próprios átomos. Teóricos propuseram recentemente que as flutuações podem ter papéis importantes na determinação de como os materiais complexos se comportam, como no fenômeno da supercondutividade de alta temperatura.

Até agora, Contudo, não havia como analisar as flutuações do skyrmion nas estruturas de filme fino necessárias para aplicações tecnológicas. Este novo resultado foi possível graças a um modo "dois baldes" desenvolvido recentemente para a criação de pares de pulsos de raios-X no laser de elétrons livres Linac Coherent Light Source (LCLS) do SLAC que permite aos pesquisadores estudar fenômenos de equilíbrio que ocorrem em períodos de tempo menos de um bilionésimo de segundo pela primeira vez.

Embora os pulsos LCLS individuais sejam geralmente separados por cerca de 8 milésimos de segundo, a técnica de dois baldes cria pares de pulsos que podem ser separados por um terço de um bilionésimo de segundo. Quando ele aprendeu sobre o modo de dois baldes há dois anos, Turner soube imediatamente que deveria ser útil para medir flutuações em sistemas magnéticos, como skyrmions.

"Antes deste estudo, os cientistas usaram o LCLS para estudar a física do desequilíbrio em escalas de tempo ainda mais rápidas, "Turner explicou." A nova técnica abre a porta para toda uma categoria de experimentos que agora podem ser feitos em equilíbrio em um laser de elétron livre de raios-X. "

Por coincidência, Roy, um amigo de longa data de Turner, vinha usando raios X suaves na Fonte de Luz Avançada (ALS) do Berkeley Lab para examinar skyrmions e suas flutuações, mais recentemente, em um material em camadas de ferro-gadolínio cultivado pelo professor Eric Fullerton da UC-San Diego. Os dois rapidamente concordaram em usar LCLS para ver se eles, em colaboração com Fullerton, poderia ver flutuações rápidas do skyrmion usando a mesma amostra.

Usando raios-x para detectar alterações magnéticas

O processo de detecção usado para visualizar as flutuações é chamado de Espectroscopia de Correlação de Fótons de Raios-X. O brilho de um pulso ultracurto de raios X coerentes na amostra produz um padrão de interferência pontilhado que representa as características magnéticas da amostra. Acompanhar rapidamente com um segundo pulso adiciona um segundo padrão de manchas no topo do primeiro no mesmo detector. Quaisquer flutuações farão com que o segundo padrão seja diferente, portanto, o nível de imprecisão na imagem combinada indica a magnitude das flutuações na amostra.

"Esta técnica é semelhante a medir o piscar das estrelas para elucidar detalhes da turbulência na atmosfera terrestre, "Turner disse." Neste caso, o objetivo de medir o 'cintilar' dos raios-X detectados é entender como a estrutura magnética do material está flutuando e como isso afeta as propriedades do material. "

Um dos vários desafios para fazer essas medições foi reduzir a intensidade dos pulsos de raios-X do LCLS para que eles não criassem suas próprias flutuações na amostra. Em última análise, várias técnicas reduziram o fluxo de raios-X que atinge a amostra a um milionésimo da energia do pulso original.

"Queremos apenas agradar a amostra, "Turner disse." Está muito longe do típico experimento de 'bomba-sonda' LCLS, onde os intensos pulsos de raios-X podem, por design, modificar, ou até mesmo explodir as amostras. "

Desenvolver maneiras de medir as intensidades de raios-X dos pulsos de cada par e seus intervalos de tempo e detectar tão poucos fótons nos padrões de manchas também foi muito difícil, acrescentou Matt Seaberg, Cientista associado da equipe do SLAC e primeiro autor do artigo. Os pesquisadores ajustaram o tempo entre os pulsos de cada par de uma fração de nanossegundo a 25 nanossegundos (um nanossegundo é um bilionésimo de segundo) e também ajustaram um campo magnético externo para abranger uma gama de condições magnéticas na amostra.

"Esta é uma maneira completamente nova de fazer este tipo de medição, "Roy disse." A resolução de tempo é limitada pelo tempo que separa os dois pulsos que o acelerador produz. "

Quando eles ajustaram o campo magnético externo para ser o mais ideal para skyrmions na amostra, eles viram que as flutuações ocorreram com um período de cerca de 4 nanossegundos. Mas quando o campo magnético foi reduzido ligeiramente para onde as estruturas circulares do skyrmion começaram a dar lugar a outra fase com estruturas de domínio magnético listrado, o período de flutuação despencou para apenas uma fração de nanossegundo.

"Este resultado indica que as flutuações são maiores e mais rápidas perto do limite das fases skyrmion e faixa, "Joshua Turner disse." Esta informação é importante para decifrar o papel que as flutuações magnéticas desempenham quando o material se transforma de uma fase para a outra. Também nos permitirá conectar a modelos teóricos usados ​​para entender como as flutuações promovem as transições de fase em uma infinidade de sólidos magnéticos e do tipo magnético. "

A cultura colegial no SLAC desempenhou um grande papel no sucesso desta pesquisa, Turner acrescentou. Os cientistas trabalharam em estreita colaboração com os físicos aceleradores Jim Turner e Franz-Josef Decker, que inventou a técnica dos dois baldes.

"Tudo isso aconteceu devido à estreita relação de trabalho entre os físicos do LCLS no lado do raio-X e aqueles do lado da física do acelerador, "disse ele." Às vezes não está claro como podemos usar seus desenvolvimentos surpreendentes. Mas trabalhar juntos tornou esse esforço muito frutífero. "

A mesma equipe continua a usar as mesmas técnicas para examinar o material de Fullerton com mais detalhes, e o trabalho futuro planejado para este inverno irá explorar outros materiais magneticamente complexos, como gelos de spin e supercondutores de alta temperatura.