Desbloquear los secretos de los materiales magnéticos requiere la iluminación adecuada. El dicroísmo circular magnético de rayos X permite decodificar el orden magnético en nanoestructuras y asignarlo a diferentes capas o elementos químicos. Investigadores del Instituto Max Born de Berlín lograron implementar esta técnica de medición única en el rango de rayos X blandos en un laboratorio de láser. Con este desarrollo, muchas preguntas tecnológicamente relevantes ahora se pueden investigar fuera de las instalaciones científicas a gran escala por primera vez.
Las nanoestructuras magnéticas forman parte de nuestra vida cotidiana desde hace mucho tiempo, por ejemplo, en forma de dispositivos de almacenamiento de datos rápidos y compactos o sensores de alta sensibilidad. Una importante contribución a la comprensión de muchos de los efectos y funcionalidades magnéticos relevantes se realiza mediante un método de medición especial : el dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD). Este impresionante término describe un efecto fundamental de la interacción entre la luz y la materia : en un material ferromagnético, hay un desequilibrio de electrones con un cierto momento angular, el espín. Si uno brilla con luz polarizada circularmente, que también tiene un momento angular definido, a través de un ferroimán, se observa una clara diferencia en la transmisión para una alineación paralela o antiparalela de los dos momentos angulares, lo que se denomina dicroísmo. Este dicroísmo circular de origen magnético es particularmente pronunciado en la región de rayos X blandos (200 a 2000 eV de energía de las partículas de luz, correspondientes a una longitud de onda de solo 6 a 0,6 nm), cuando se consideran los bordes de transición de absorción específicos del elemento. metales, como hierro, níquel o cobalto, así como tierras raras, como disprosio o gadolinio.
Estos elementos son particularmente importantes para la aplicación técnica de los efectos magnéticos. El efecto XMCD permite determinar con precisión el momento magnético de los respectivos elementos, incluso en capas enterradas en un material y sin dañar el sistema de muestra. Si la radiación de rayos X blandos polarizada circularmente llega en pulsos muy cortos de femto a picosegundos (ps). Hasta ahora, el acceso a la radiación de rayos X requerida solo ha sido posible en instalaciones científicas a gran escala, como fuentes de radiación de sincrotrón o láseres de electrones libres (FEL), y por lo tanto ha estado fuertemente limitado.
Un equipo de investigadores del líder del grupo de investigación junior Daniel Schick en el Instituto Max Born (MBI) en Berlín ha logrado por primera vez realizar experimentos XMCD en los bordes L de absorción del hierro con una energía fotónica de alrededor de 700 eV en un láser. laboratorio. Se utilizó una fuente de plasma impulsada por láser para generar la luz de rayos X suave requerida, enfocando pulsos láser ópticos muy cortos (2 ps) e intensos (200 mJ por pulso) en un cilindro de tungsteno. El plasma generado emite mucha luz continuamente en el rango espectral relevante de 200-2000 eV con una duración de pulso inferior a 10 ps. Sin embargo, debido al proceso de generación estocástica en el plasma, no se cumple un requisito muy importante para observar XMCD : la polarización de la luz de rayos X suave no es circular, como se requiere, sino completamente aleatoria, similar a la de un bombilla. Por lo tanto, los investigadores utilizaron un truco : la luz de rayos X pasa primero a través de un filtro de polarización magnética en el que está activo el mismo efecto XMCD descrito anteriormente. Debido a la transmisión dicroica dependiente de la polarización, se puede generar un desequilibrio de partículas de luz con momento angular paralelo frente a antiparalelo en relación con la magnetización del filtro. Después de pasar a través del filtro de polarización, la luz de rayos X suaves polarizada parcialmente circular o elípticamente se puede emplear para el experimento XMCD real en una muestra magnética.
El trabajo, publicado en la revista científica OPTICA, demuestra que las fuentes de rayos X basadas en láser se están poniendo al día con las instalaciones a gran escala. « Nuestro concepto para generar rayos X suaves polarizados circularmente no solo es muy flexible sino también parcialmente superior a los métodos convencionales en espectroscopia XMCD debido a la naturaleza de banda ancha de nuestra fuente de luz », dice el primer autor del estudio y estudiante de doctorado en el MBI. Martín Borchert. En particular, la duración del pulso ya demostrada de los pulsos de rayos X generados de solo unos pocos picosegundos abre nuevas posibilidades para observar y, en última instancia, comprender incluso los procesos de magnetización muy rápidos, por ejemplo, cuando se activan con destellos de luz ultracortos.