Gelos de spin artificiais (ASIs) são metamateriais magnéticos com propriedades exóticas que dependem de suas geometrias. Ao longo dos últimos anos, muitos físicos estudaram esses materiais, pois suas propriedades exclusivas podem ser vantajosas para uma série de aplicações.

Pesquisadores da Universidade de Kentucky, Laboratório Nacional de Argonne, O Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e outros institutos nos EUA introduziram recentemente um método para obter o momento angular orbital de raios-X comutável (OAM) em sistemas magnéticos ASI. A abordagem deles, apresentado em um artigo publicado em Cartas de revisão física , pode abrir caminho para novas pesquisas que investiguem as propriedades dos sistemas magnéticos, ferroelétricos, sistemas quirais e nanoestruturas.

"Estou muito interessado no tópico de fótons carregando momento angular orbital (OAM), "Sujoy Roy, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse Phys.org. "Na comunidade de luz visível, tem havido muito trabalho nesta área, mas, no caso dos raios-X, os relatos são limitados. Então, começamos a investigá-lo e fomos os primeiros a gerar OAM com feixes de raios-X suaves. "

Em um artigo anterior publicado em Nature Photonics , Roy e seus colegas mostraram que podiam gerar feixes de raios X suaves portadores de OAM fabricando uma grade especializada com deslocamento de garfo. Subseqüentemente, enquanto pesquisavam ASIs quadrados 2D, eles começaram a investigar a geração de vigas OAM em casos em que a estrutura quadrada de um material tem um defeito de garfo.

"Isso foi particularmente interessante porque nossa rede era magnética; portanto, ela se organiza antiferromagneticamente abaixo da temperatura de pedido, "Roy disse." Agora a questão é, se introduzirmos um garfo, o que acontece com o antiferroímã? A amostra ainda entra em um estado antiferromagnético? Depois de uma série de discussões e brainstorming dentro do grupo, chegamos à conclusão de que, ao inserir um deslocamento duplo, a amostra ainda será capaz de ir para um estado antiferromagnético. "

ASIs são matrizes padronizadas de nanoímãs que têm algumas propriedades comuns ao gelo de água. ASIs muitas vezes podem ser "frustrados, "o que significa essencialmente que os ímãs contidos neles não podem se alinhar com seus vizinhos de forma a minimizar a energia envolvida em suas interações. Como Linus Pauling observou em 1935, átomos de hidrogênio em água gelada são normalmente organizados de maneira semelhante.

Cerca de uma década atrás, físicos mostraram que ASIs quadrados, estudado pela primeira vez por uma equipe de pesquisa da Penn State University, não estão realmente "frustrados, "mas, em vez disso, eles entram em um estado fundamental antiferromagnético bem ordenado. Isso foi previsto pela primeira vez em 2006 por Möller e Moessner e demonstrado experimentalmente em 2011 por Christopher Marrows e seus colegas da Universidade de Leeds. Quando eles estão em um estado fundamental antiferromagnético, os ímãs na rede são orientados de forma que se cancelem, de modo que não haja magnetização líquida do ASI.

"Há algum tempo que trabalhamos na área de gelados artificiais (ASIs) em colaboração com o Professor Lance De Long da Universidade de Kentucky, "Todd Hastings, outro pesquisador envolvido no estudo recente, disse Phys.org. "Outro grupo, liderado por John Cumings da Universidade de Maryland, mostraram que a introdução de um deslocamento de forquilha (carga topológica 1) em um ASI quadrado reintroduz a frustração e evita a formação de um único estado fundamental antiferromagnético. Nossa equipe reconheceu que a introdução de um deslocamento de bifurcação dupla (carga topológica 2) poderia potencialmente permitir a reforma do estado fundamental antiferromagnético. "

No ASI examinado por Roy, Hastings e seus colegas, a carga topológica (ou seja, número do defeito do garfo) na estrutura é 2, enquanto o do antiferroímã é 1, levando a duas cargas topológicas diferentes em um único sistema. Além de explorar como a introdução e a remoção da frustração podem alterar a carga de um único defeito em sistemas ASI quadrados, os pesquisadores observaram como os raios X se espalhariam a partir dessas estruturas.

"Por algum tempo, estávamos pensando em como criar feixes de raios-X com OAM que pudessem ser ligados e desligados, "Hastings explicou." OAM portador de luz pode fazer com que pequenos objetos orbitem o centro do feixe e habilitou aplicações tão diversas como a criptografia quântica, pinças ópticas, e telecomunicações. Embora o OAM de raios-X seja muito menos comum, pode ser criado por difração de estruturas com defeitos de bifurcação. Assim, formulamos a hipótese de que os raios X espalhados de ASIs quadrados com defeitos bifurcados também carregariam OAM. "

Uma equipe de pesquisa liderada por Laura Heyderman na ETH Zurich e no Instituto Paul Scherrer mostrou que, ao aplicar um campo magnético externo a ASIs quadrados, eles podem ser colocados em um estado ferromagnético, em que todos os nanoímãs são orientados na mesma direção. Inspirado neste trabalho anterior, Roy e Hastings levantaram a hipótese de que um campo magnético aplicado também poderia desligar os feixes OAM magneticamente dispersos, e que esses feixes voltariam a funcionar quando o sistema voltasse ao estado fundamental.

"Com isso, toda a imagem reuniu-se de um sistema que poderia produzir feixes de raios-X com momentos angulares orbitais de diferentes ordens e no qual os feixes magneticamente dispersos poderiam ser ligados e desligados, "Hastings disse.

Os raios X tendem a ser sensíveis à densidade de um material, mas não muito sensível ao momento magnético. Para obter raios-X sensíveis a sinais magnéticos, os pesquisadores empregaram uma técnica chamada Espalhamento Magnético de Raios-X Ressonante (RXMS), com um feixe coerente (ou seja, um com amplitude e fase bem definidas). Esta técnica permitiu-lhes alcançar maior sensibilidade magnética, ajustando a energia do feixe incidente para a borda de absorção de um elemento.

"No nosso caso, sintonizamos a borda L3 do ferro que está em 707 eV (para referência, A radiação Cu K alfa é de 8 keV) e então difratamos usando um feixe de raios-X coerente, "Roy explicou." Devido à coerência do feixe, a fase do feixe difratado agiu de forma coerente, de modo que todo o feixe de saída adquiriu uma frente de fase helicoidal que deu origem ao OAM. "

Quando os pesquisadores realizam um experimento de difração usando técnicas RXMS, eles podem observar picos fortes em certos ângulos que satisfazem a condição de Bragg, onde os raios X dispersos interferem construtivamente. Como o espaçamento da rede em antiferromagnetos é o dobro das redes estruturais, o pico antiferromagnético geralmente aparece em uma posição diferente. Essa diferença de posição ajuda os pesquisadores a distinguir entre os picos de difração magnética e de carga.

"Quando difratamos a matriz 2D bifurcada, obtemos feixes OAM tanto nos picos de Bragg estruturais quanto nos picos de Bragg magnéticos, "Roy disse." No entanto, por causa das duas cargas topológicas diferentes, vemos diferentes conteúdos OAM nos picos de Bragg estruturais e magnéticos. Além disso, como podemos controlar o gelo artificial de spin com um campo aplicado, isso implicava que seríamos capazes de controlar o conteúdo OAM do feixe. "

Os nanoímãs nos ASIs usados ​​por Roy, Hastings e seus colegas eram feitos de permalloy, uma liga de níquel e ferro. Para criar o sistema que examinaram, os pesquisadores escreveram um padrão em um polímero em uma pastilha de silício, usando uma técnica chamada litografia por feixe de elétrons.

"Nossa amostra foi então revestida com permalloy por meio da evaporação do material no vácuo (evaporação por feixe de elétrons), permitindo que ele se depositasse sobre o padrão, "Hastings disse." Posteriormente, removemos o polímero e o permalloy que ficava no topo das regiões não padronizadas (um processo chamado lift-off). Cada nanoímã tinha 470 nm de comprimento, 170 nm de largura, e apenas 3 nm de espessura. Um cabelo humano tem cerca de 100, 000 nm de diâmetro, então, se você colocar esses ímãs em pé, cerca de 15 milhões deles caberiam na ponta de um fio de cabelo humano. "

Quando os feixes de raios-X foram difratados no ângulo adequado e quando o feixe foi sintonizado na borda magnética L3 do ferro, os pesquisadores descobriram que o sistema ASI que examinaram entrou em um estado fundamental antiferromagnético. Posteriormente, eles confirmaram a presença deste estado por imagem direta da magnetização dos nanoímãs no sistema, usando uma técnica conhecida como microscopia eletrônica de fotoemissão de dicroísmo circular magnético de raios-X (XMCD-PEEM). Usando esta técnica, eles iluminaram o ASI com raios-X e capturaram os elétrons emitidos pelos nanoímãs em um microscópio eletrônico.

"Durante os experimentos de espalhamento de raios-X, aquecemos a amostra até cerca de 100 ° C para mostrar que os feixes magneticamente dispersos poderiam ser desligados com a temperatura conforme o ASI mudava de ordem antiferromagnética para um estado paramagnético, "Hastings disse." É interessante que o permalloy em si não se torna paramagnético até cerca de 600 ° C, então o ASI está imitando um paramagneto enquanto o permalloy permanece ferromagnético. "

Os pesquisadores também aplicaram um campo magnético ao ASI que examinaram para orientar todos os seus ímãs na mesma direção. Em vez de girar no campo magnético externo, os nanoímãs mudaram sua direção de magnetização internamente. Os pesquisadores descobriram que, uma vez que o ASI não estava mais no estado fundamental antiferromagnético, os feixes OAM de raios-X magneticamente dispersos desapareceram.

"Até aqui, a geração do feixe OAM em regime de raios-X era uma tarefa não trivial, "Disse Roy." Agora que podemos gerar esses feixes e também ter uma maneira de controlá-los, abre novas possibilidades. Por exemplo, esses feixes podem ser usados ​​para estudar texturas de spin topológicas em sistemas magnéticos, vórtices polares em ferroelétricos, sistemas quirais e nanoestruturas. "

A abordagem para gerar um OAM de raios-X comutável de ASIs desenvolvido por Roy, Hastings e seus colegas podem ter inúmeras aplicações interessantes. Além de informar novos estudos examinando vários materiais, poderia abrir novas possibilidades para o uso de raios-X na ciência da informação quântica. Além disso, usando os métodos empregados por esta equipe de pesquisa, os físicos poderiam identificar outros materiais que poderiam ser usados ​​para gerar feixes de raios-X personalizados.

"A capacidade de gerar OAM de raios-X controlável fornece uma ferramenta nova e interessante para estudar outros materiais, "Hastings disse." Nosso estudo também fornece alguns insights sobre como os gelos de spin artificiais se comportam na presença dos chamados defeitos topológicos. Isso é, agora sabemos que ASIs de quadrado livre com defeitos não ficam frustrados e fazem pedidos antiferromagneticamente, que defeitos com carga topológica de um introduzem frustração, e defeitos de carga topológica dois removem a frustração. "

Roy, Hastings e seus colaboradores estão agora tentando determinar se os feixes gerados em seus experimentos são sensíveis a características específicas de outros materiais. Se esse é o caso, suas descobertas podem criar novos caminhos e horizontes para pesquisas que exploram diferentes sistemas materiais.

"Além de aplicar feixes OAM de raios-X para estudar outros materiais, também estamos estudando ASIs mais complexos que podem gerar diferentes feixes OAM, explorando novas maneiras de mudar o OAM, e tentar aprender como os defeitos topológicos afetam o comportamento dos ASIs com mais detalhes, "Hastings disse.

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