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May 04, 2023

適切な照明で磁性材料の秘密のナノ構造を解明する

Istituto Max Born di ottica non lineare e spettrofotometria breve (MBI)

Max Born 非線形光学・短パルス分光法研究所 (MBI) 2023 年 5 月 26 日

XMCD 実験のアーティストの印象。 プラズマ源からの軟 X 線光は、まず磁性膜を透過することにより円偏光になります。 その後、実際のサンプルの磁化を正確に測定することができます。 クレジット: クリスチャン・チェッシェル

ベルリンのマックス ボルン研究所の研究者らは、レーザー実験室で初めて X 線磁気円二色性 (XMCD) 実験の実施に成功しました。

磁性材料の秘密を明らかにするには、適切な照明が必要です。 磁気 X 線円二色性により、ナノ構造内の磁気秩序を解読し、それをさまざまな層または化学元素に割り当てることが可能になります。 ベルリンのマックス ボルン研究所の研究者は、レーザー実験室で軟 X 線領域でこのユニークな測定技術を実装することに成功しました。 この開発により、技術的に関連する多くの疑問が、初めて科学的な大規模施設の外で調査できるようになりました。

磁性ナノ構造は、高速でコンパクトなデータ記憶装置や高感度センサーなどの形で、長い間私たちの日常生活の一部となってきました。 関連する磁気効果や機能の多くを理解する上で、特別な測定方法である X 線磁気円二色性 (XMCD) が大きく貢献します。

この印象的な用語は、光と物質の間の相互作用の基本的な効果を説明しています。強磁性体では、特定の角運動量、つまりスピンを持つ電子の不均衡が存在します。 同様に定義された角運動量を持つ円偏光を強磁性体を通して照射すると、2 つの角運動量の平行または反平行の配列に対する透過率の明らかな違い、いわゆる二色性が観察できます。

この磁気起源の円二色性は、元素固有の遷移吸収端を考慮すると、軟 X 線領域 (わずか 6 ～ 0.6 nm の波長に相当する光粒子の 200 ～ 2000 eV エネルギー) で特に顕著です。鉄、ニッケル、コバルトなどの金属や、ジスプロシウムやガドリニウムなどの希土類。 これらの要素は、磁気効果の技術的応用にとって特に重要です。

XMCD 効果により、材料内の埋め込み層であっても、サンプルシステムに損傷を与えることなく、それぞれの元素の磁気モーメントを正確に測定することができます。 円偏光軟 X 線放射が非常に短いフェムト秒からピコ秒​​ (ps) パルスで到来する場合、超高速の磁化プロセスであっても、関連する時間スケールで監視できます。 これまで、必要な X 線放射へのアクセスは、シンクロトロン放射源や自由電子レーザー (FEL) などの大規模科学施設でのみ可能であったため、厳しく制限されていました。

Fe L 吸収端 (黒いデータ点) での調査サンプルの平均透過率は正確に測定でき、シミュレーションによってよく説明されます (黒い線)。 2 つの吸収最大値 (挿入図を参照) では、サンプルの飽和磁化の 2 つの異なる方向に対する顕著な二色性が観察できます。 これまで、このような実験は大規模な施設でのみ可能でした。 クレジット: Max Born Institute

A team of researchers around junior research group leader Daniel Schick at the Max Born Institute (MBI) in Berlin has now succeeded for the first time in realizing XMCD experiments at the absorption L edges of iron at a photonA photon is a particle of light. It is the basic unit of light and other electromagnetic radiation, and is responsible for the electromagnetic force, one of the four fundamental forces of nature. Photons have no mass, but they do have energy and momentum. They travel at the speed of light in a vacuum, and can have different wavelengths, which correspond to different colors of light. Photons can also have different energies, which correspond to different frequencies of light." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">レーザー実験室では約 700 eV の光子エネルギー。

A laser-driven plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">プラズマ源を使用して、非常に短く (2 ps) かつ強力 (パルスあたり 200 mJ) の光レーザー パルスをタングステンのシリンダーに集束させることにより、必要な軟 X 線光を生成しました。 これにより、生成されたプラズマは、10 ps 未満のパルス幅で 200 ～ 2000 eV の関連スペクトル範囲で大量の光を連続的に放出します。 しかし、プラズマ内での確率的な生成プロセスのため、XMCD を観察するための非常に重要な要件は満たされていません。軟 X 線光の偏光は必要な円偏光ではなく、光の偏光と同様に完全にランダムです。バルブ。

したがって、研究者らはあるトリックを使用しました。X 線光はまず、上記と同じ XMCD 効果が作用する磁気偏光フィルターを通過します。 偏光依存の二色性透過により、フィルターの磁化に対して平行角運動量と反平行角運動量をもつ光粒子の不均衡が発生する可能性があります。 偏光フィルターを通過した後、部分的に円偏光または楕円偏光された軟 X 線光は、磁性サンプルでの実際の XMCD 実験に使用できます。

偏光子の後ろの磁気非対称性と、Fe L 吸収端での検査サンプル。 2 つの色は、偏光子の磁化を反転した場合の測定に対応します。サンプルの磁化方向は、観察される二色性の符号 (青と赤の曲線) からすぐにわかります。 測定値はシミュレーション (ライン) によって非常に正確に再現できます。 クレジット: Max Born Institute

科学雑誌OPTICAに掲載されたこの研究は、レーザーベースのX線源が大規模施設に追いつきつつあることを実証している。 「円偏光軟X線を生成するための私たちのコンセプトは、非常に柔軟であるだけでなく、光源の広帯域特性により、XMCD分光法の従来の方法よりも部分的に優れています」と、この研究の筆頭著者でありMBIの博士課程の学生は述べています。 、マーティン・ボルチャート。 特に、生成されたX線パルスのパルス持続時間がわずか数ピコ秒であることがすでに証明されているため、超短光フラッシュによって引き起こされた場合など、非常に高速な磁化プロセスさえも観察し、最終的に理解するための新たな可能性が開かれます。

参考文献: Martin Borchert、Dieter Engel、Clemens von Korff Schmising、Bastian Pfau、Stefan Eisebitt、Daniel Schick 著「ピコ秒レーザー駆動プラズマ源による Fe L エッジでの X 線磁気円二色性分光法」、2023 年 4 月 4 日、Optica .DOI: 10.1364/OPTICA.480221