Une nouvelle façon d'exploiter le puissant laser à rayons X du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie a permis aux chercheurs de détecter et de mesurer les fluctuations des structures magnétiques envisagées pour les nouvelles technologies de stockage de données et de calcul.

Dans un article publié plus tôt ce mois-ci dans Lettres d'examen physique , une équipe dirigée par Joshua Turner, Personnel scientifique du SLAC, et Sujoy Roy, scientifique du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), ont déclaré mesurer les fluctuations de ces structures, appelés skyrmions magnétiques, avec une résolution au milliardième de seconde, 1, 000 fois mieux qu'avant.

Capturer les textures de rotation fluctuantes

Les skyrmions sont des textures de spin de vortex multi-atomes dans lesquelles les orientations de spin des atomes changent d'une direction au milieu à la direction opposée à la circonférence. Ils se déplacent facilement en réponse aux champs électriques, ce qui les rend attractifs pour une utilisation dans les technologies de stockage de données, mémoires à registre à décalage ainsi que des technologies informatiques avancées.

Les aspects charge et spin des atomes ne sont pas rigides. Ils répondent à une multitude de forces par des vibrations et d'autres mouvements – collectivement appelés fluctuations – dont certains affectent même le mouvement des atomes eux-mêmes. Les théoriciens ont proposé récemment que les fluctuations peuvent jouer un rôle clé dans la détermination du comportement des matériaux complexes, comme dans le phénomène de la supraconductivité à haute température.

Jusqu'à maintenant, cependant, il n'y avait aucun moyen d'analyser les fluctuations de skyrmions dans les structures à couches minces nécessaires aux applications technologiques. Ce nouveau résultat a été rendu possible par un mode "à deux compartiments" récemment développé pour créer des paires d'impulsions de rayons X au laser à électrons libres Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC qui permet aux chercheurs d'étudier les phénomènes d'équilibre qui se produisent dans des périodes de temps. moins d'un milliardième de seconde pour la première fois.

Alors que les impulsions LCLS individuelles sont généralement séparées d'environ 8 millièmes de seconde, la technique à deux compartiments crée des paires d'impulsions qui peuvent être distantes d'un tiers de milliardième de seconde. Lorsqu'il a entendu parler du mode à deux seaux il y a deux ans, Turner sut immédiatement qu'il devrait être utile pour mesurer les fluctuations dans les systèmes magnétiques, comme les skyrmions.

« Avant cette étude, les scientifiques ont utilisé le LCLS pour étudier la physique hors équilibre à des échelles de temps encore plus rapides, " expliqua Turner. " La nouvelle technique ouvre la porte à toute une catégorie d'expériences qui peuvent maintenant être réalisées en équilibre dans un laser à électrons libres à rayons X. "

Par coïncidence, Roy, un ami de longue date de Turner, avait utilisé des rayons X mous à la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab pour examiner les skyrmions et leurs fluctuations, plus récemment dans un matériau en couches de fer-gadolinium cultivé par le professeur Eric Fullerton de l'UC-San Diego. Les deux ont rapidement convenu d'utiliser LCLS pour voir s'ils, en collaboration avec Fullerton, pourrait voir des fluctuations rapides de skyrmions en utilisant le même échantillon.

Utiliser les rayons X pour déceler les changements magnétiques

Le processus de détection utilisé pour visualiser les fluctuations est appelé spectroscopie de corrélation de photons à rayons X. L'émission d'une impulsion ultracourte de rayons X cohérents sur l'échantillon produit un motif d'interférence de speckle qui représente les caractéristiques magnétiques de l'échantillon. Un suivi rapide avec une deuxième impulsion ajoute un deuxième motif de speckle au-dessus du premier sur le même détecteur. Toute fluctuation entraînera une différence entre le deuxième modèle, ainsi, le niveau de flou dans l'image combinée indique l'ampleur des fluctuations dans l'échantillon.

"Cette technique est similaire à la mesure du scintillement des étoiles pour élucider les détails de la turbulence dans l'atmosphère terrestre, " a déclaré Turner. " Dans ce cas, le but de mesurer le « scintillement » des rayons X détectés est de comprendre comment la structure magnétique du matériau fluctue et comment elle affecte les propriétés du matériau. »

L'un des nombreux défis liés à la réalisation de ces mesures consistait à réduire l'intensité des impulsions de rayons X du LCLS afin qu'elles ne créent pas leurs propres fluctuations dans l'échantillon. Diverses techniques ont finalement réduit le flux de rayons X frappant l'échantillon à un millionième de l'énergie d'impulsion d'origine.

"Nous voulons juste chatouiller l'échantillon, " a déclaré Turner. " C'est loin de l'expérience typique de « pompe-sonde », où les intenses impulsions de rayons X peuvent, intentionnellement, modifier, ou même faire sauter les échantillons."

Développer des moyens de mesurer les intensités de rayons X des impulsions de chaque paire et de leurs intervalles de temps et de détecter si peu de photons dans les motifs de speckle était également très difficile, a ajouté Matt Seaberg, Chercheur associé du SLAC et premier auteur de l'article. Les chercheurs ont ajusté le temps entre les impulsions de chaque paire d'une fraction de nanoseconde à 25 nanosecondes (une nanoseconde est un milliardième de seconde) et ont également réglé un champ magnétique externe pour couvrir une gamme de conditions magnétiques dans l'échantillon.

« C'est une toute nouvelle façon de faire ce genre de mesure, " a déclaré Roy. " La résolution temporelle est limitée par le temps séparant les deux impulsions produites par l'accélérateur. "

Lorsqu'ils ont réglé le champ magnétique externe pour qu'il soit le plus idéal pour les skyrmions de l'échantillon, ils ont vu que des fluctuations se produisaient avec une période d'environ 4 nanosecondes. Mais lorsque le champ magnétique a été légèrement réduit à l'endroit où les structures circulaires du skyrmion commencent à céder la place à une autre phase avec des structures de domaine magnétique rayées, la période de fluctuation a chuté à seulement une fraction de nanoseconde.

"Ce résultat indique que les fluctuations sont plus importantes et plus rapides près de la limite des phases skyrmion et stripe, " a déclaré Joshua Turner. " Cette information est importante pour déchiffrer le rôle que jouent les fluctuations magnétiques lorsque le matériau se transforme d'une phase à l'autre. Cela nous permettra également de nous connecter à des modèles théoriques utilisés pour comprendre comment les fluctuations favorisent les transitions de phase dans une multitude de solides magnétiques et de type magnétique. »

La culture collégiale au SLAC a joué un grand rôle dans la réussite de cette recherche, Turner ajouté. Les scientifiques ont travaillé en étroite collaboration avec les physiciens des accélérateurs Jim Turner et Franz-Josef Decker, qui a conçu la technique des deux seaux.

"Tout cela est dû à la relation de travail étroite entre les physiciens du LCLS du côté des rayons X et ceux du côté de la physique des accélérateurs, ", a-t-il déclaré. "Parfois, il n'est pas clair comment nous pouvons utiliser leurs incroyables développements. Mais travailler ensemble en a fait une entreprise très fructueuse."

La même équipe continue d'utiliser les mêmes techniques pour examiner plus en détail le matériel de Fullerton, et les futurs travaux prévus cet hiver exploreront d'autres matériaux magnétiquement complexes, comme les glaces de spin et les supraconducteurs à haute température.