Cientistas atingiram um material cristalino com pulsos ultrarrápidos de luz laser e então usaram raios-x para sondar como sua ordem magnética muda. Crédito da imagem:Cameron Dashwood, University College London.
O que acontece quando pulsos muito curtos de luz laser atingem um material magnético? Uma grande colaboração internacional liderada pelo Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) se propôs a responder a essa pergunta. Como acabaram de relatar no Proceedings of the National Academy of Sciences , o laser suprimiu a ordem magnética em todo o material por vários picossegundos, ou trilionésimos de segundo. Compreender como as correlações magnéticas mudam em escalas de tempo ultrarrápidas é o primeiro passo para ser capaz de controlar o magnetismo de maneiras orientadas para a aplicação. Por exemplo, com tal controle, podemos ser capazes de gravar dados mais rapidamente em dispositivos de memória ou melhorar a supercondutividade (o fenômeno no qual um material conduz eletricidade sem perda de energia), que muitas vezes compete com outros estados como o magnetismo.
O material estudado foi óxido de estrôncio irídio (Sr 3 Ir 2 O 7 ), um antiferroímã com uma estrutura de cristal de duas camadas e uma grande anisotropia magnética. Em um antiferroímã, os momentos magnéticos, ou spins de elétrons, alinhe em direções opostas aos spins vizinhos. Anisotropia significa que os spins precisam pagar um custo energético para girar em qualquer direção aleatória; eles realmente querem sentar apontando para cima ou para baixo na estrutura do cristal. O Grupo de Espalhamento de Raios-X da Divisão de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais do Laboratório Brookhaven (CMPMS) estudou anteriormente este material (e um composto irmão de camada única, Sr 2 IrO 4 ), então eles entraram neste estudo com uma boa compreensão de seu estado de equilíbrio.
"Os pulsos de laser muito curtos perturbam o sistema, destruindo sua ordem magnética, "disse o primeiro autor Daniel Mazzone, ex-membro do grupo e agora cientista de instrumentos no espectrômetro de Análise de Energia Múltipla de Ângulo Contínuo (CAMEA) no Instituto Paul Scherrer na Suíça. "Neste estudo, estávamos interessados em ver como o sistema relaxa de volta ao seu estado normal. Sabíamos que o relaxamento ocorre em uma escala de tempo muito rápida, e tirar uma foto de algo que se move muito rápido, precisamos de pulsos de iluminação muito curtos. Com uma fonte de laser de elétrons livres de raios-X, podemos gerar pulsos curtos o suficiente para ver o movimento dos átomos e moléculas. Essas fontes só existem em cinco lugares ao redor do mundo - nos Estados Unidos, Japão, Coréia, Alemanha, e Suíça. "
Neste estudo, a equipe realizou experimentos em duas das cinco instalações. No Laser de elétrons livres SPring-8 Angstrom Compact (SACLA) no Japão, eles conduziram espalhamento elástico de raios-X resolvido no tempo (tr-REXS). No instrumento de bomba de sonda de raios-X da Linac Coherent Light Source - um DOE Office of Science User Facility no SLAC National Accelerator Laboratory - os cientistas realizaram o espalhamento de raios-X inelástico ressonante resolvido no tempo (tr-RIXS). Em ambas as técnicas de espalhamento, Os raios X (sonda) atingem o material quase imediatamente após o pulso do laser (bomba). Ao medir a energia e o ângulo de partículas dispersas de luz (fótons), os cientistas podem determinar a estrutura eletrônica do material e, portanto, a configuração magnética. Nesse caso, a energia de raios-X foi ajustada para ser sensível aos elétrons em torno dos átomos de irídio, que impulsionam o magnetismo neste material. Embora tr-REXS possa revelar o grau de ordem magnética de longo alcance, O tr-RIXS pode fornecer uma imagem das interações magnéticas locais.
"Para observar o comportamento detalhado dos giros, precisamos medir a mudança de energia dos raios-X com altíssima precisão, "explicou o co-autor correspondente Mark Dean, um físico do Grupo de Espalhamento de Raios-X da Divisão CMPMS. "Para fazer isso, construímos e instalamos um espectrômetro de raios-X motorizado no SLAC. "
Um esquema das configurações de espalhamento inelástico de raios-x ressonante (RIXS) e espalhamento de raios-x elástico ressonante (REXS). O quadrado no meio representa a amostra, que é atingido com um laser (bomba) e, em seguida, raios-x (sonda) quase imediatamente depois. Para os experimentos RIXS, a equipe construiu um espectrômetro de raios-X motorizado (círculo cor de cobre) para ver como os spins estão se comportando localmente. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Seus dados revelaram como as interações magnéticas são suprimidas não apenas localmente, mas em todos os lugares. Essa supressão persiste por picossegundos antes que a ordem magnética retorne ao seu estado antiferromagnético inicial.
"O sistema de bicamada não possui meios energeticamente de baixo custo para deformar o estado magnético, "explicou Dean." Ele fica preso neste gargalo onde o magnetismo está fora de equilíbrio e não está se recuperando, pelo menos não tão rapidamente quanto no sistema de monocamada. "
"Para a maioria dos aplicativos, como armazenamento de dados, você quer uma comutação magnética rápida, "acrescentou Mazzone." Nossa pesquisa sugere sistemas onde os giros podem apontar para qualquer direção que seja melhor para manipular o magnetismo. "
Próximo, a equipe planeja examinar materiais relacionados e espera manipular o magnetismo de maneiras mais direcionadas, por exemplo, alterar a intensidade com que dois spins vizinhos "conversam" um com o outro.
"Se pudermos mudar a distância entre dois giros e ver como isso afeta sua interação, isso seria muito legal, "disse Mazzone." Com uma compreensão de como o magnetismo evolui, poderíamos ajustá-lo, talvez gerando novos estados. "
