Les glaces de spin artificielles (ASI) sont des métamatériaux magnétiques aux propriétés exotiques qui dépendent de leurs géométries. Au cours des dernières années, de nombreux physiciens ont étudié ces matériaux, car leurs propriétés uniques pourraient être avantageuses pour un certain nombre d'applications.

Chercheurs de l'Université du Kentucky, Laboratoire National d'Argonne, Le Lawrence Berkeley National Laboratory et d'autres instituts aux États-Unis ont récemment introduit une méthode pour obtenir un moment angulaire orbital (OAM) à rayons X commutable dans les systèmes magnétiques ASI. Leur approche, présenté dans un article publié dans Lettres d'examen physique , pourrait ouvrir la voie à de nouvelles recherches sur les propriétés des systèmes magnétiques, ferroélectrique, systèmes chiraux et nanostructures.

"Je suis très intéressé par le sujet des photons porteurs de moment angulaire orbital (OAM), " Sujoy Roy, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Dans la communauté de la lumière visible, il y a eu beaucoup de travail dans ce domaine, mais dans le cas des rayons X, il y a eu des rapports limités. Donc, nous avons commencé à l'étudier et nous avons été les premiers à générer avec succès des OAM transportant des faisceaux de rayons X mous."

Dans un précédent article publié dans Photonique de la nature , Roy et ses collègues ont montré qu'ils pouvaient générer avec succès des faisceaux de rayons X mous porteurs d'OAM en fabriquant un réseau spécialisé avec une luxation en fourche. Ensuite, alors qu'ils recherchaient des ASI carrés 2D, ils ont commencé à étudier la génération de poutres OAM dans les cas où le réseau carré d'un matériau présente un défaut de fourche.

"C'était particulièrement intéressant parce que notre réseau était magnétique; ainsi il s'arrange de manière antiferromagnétique en dessous de la température de commande, " dit Roy. " Maintenant la question est, si on introduit une fourchette, qu'arrive-t-il à l'antiferromagnétique? L'échantillon entre-t-il toujours dans un état antiferromagnétique ? Après une série de discussions et de remue-méninges au sein du groupe, nous sommes arrivés à la conclusion qu'en insérant une double luxation, l'échantillon pourra toujours passer à un état antiferromagnétique."

Les ASI sont des réseaux à motifs de nano-aimants qui ont des propriétés communes avec la glace d'eau. Les ASI peuvent souvent être « frustrés, " ce qui signifie essentiellement que les aimants qu'ils contiennent ne peuvent pas s'aligner avec leurs voisins de manière à minimiser l'énergie impliquée dans leurs interactions. Comme Linus Pauling l'a observé en 1935, les atomes d'hydrogène dans la glace d'eau sont généralement disposés de la même manière.

Il y a une dizaine d'années, les physiciens ont montré que les ASI carrés, d'abord étudié par une équipe de recherche à la Penn State University, ne sont pas réellement "frustrés, " mais ils entrent plutôt dans un état fondamental antiferromagnétique bien ordonné. Cela a été prédit pour la première fois en 2006 par Möller et Moessner et démontré expérimentalement en 2011 par Christopher Marrows et ses collègues de l'Université de Leeds. Lorsqu'ils sont dans un état fondamental antiferromagnétique, les aimants du réseau sont orientés de manière à s'annuler, de sorte qu'il n'y a pas de magnétisation nette de l'ASI.

"Nous travaillons depuis un certain temps dans le domaine des glaces de spin artificielles (ASI) en collaboration avec le professeur Lance De Long de l'Université du Kentucky, " Todd Hastings, un autre chercheur impliqué dans l'étude récente, dit Phys.org. « Un autre groupe, dirigé par John Cumings à l'Université du Maryland, ont montré que l'introduction d'une dislocation fourche (charge topologique 1) dans un ASI carré réintroduit la frustration et empêche la formation d'un seul état fondamental antiferromagnétique. Notre équipe a reconnu que l'introduction d'une dislocation à double fourche (charge topologique 2) pourrait potentiellement permettre à l'état fondamental antiferromagnétique de se reformer."

Dans l'ASI examinée par Roy, Hastings et leurs collègues, la charge topologique (c'est-à-dire numéro du défaut de la fourche) dans la structure est 2, tandis que celui de l'antiferromagnétique est 1, conduisant à deux charges topologiques différentes dans un même système. En plus d'explorer comment l'introduction et la suppression de la frustration peuvent changer la charge d'un seul défaut dans les systèmes ASI carrés, les chercheurs ont examiné comment les rayons X se disperseraient à partir de ces structures.

"Pour quelques temps, nous avions réfléchi à la façon de créer des faisceaux de rayons X avec OAM qui pourraient être allumés et éteints, " a expliqué Hastings. " L'OAM porteur de lumière peut amener de petits objets à orbiter autour du centre du faisceau et a permis des applications aussi diverses que la cryptographie quantique, pince à épiler optique, et télécommunications. Alors que l'OAM à rayons X est beaucoup moins courante, il peut être créé par diffraction à partir de structures présentant des défauts de fourche. Nous avons donc émis l'hypothèse que les rayons X diffusés à partir d'ASI carrés avec des défauts fourchus porteraient également l'OAM."

Une équipe de recherche dirigée par Laura Heyderman à l'ETH Zurich et à l'Institut Paul Scherrer a montré qu'en appliquant un champ magnétique externe à des ASI carrés, ils pourraient être placés dans un état ferromagnétique, dans lequel tous les nano-aimants sont orientés dans la même direction. Inspiré de ce précédent travail, Roy et Hastings ont émis l'hypothèse qu'un champ magnétique appliqué pourrait également désactiver les faisceaux OAM diffusés magnétiquement, et que ces faisceaux se rallumeraient lorsque le système retournerait à son état fondamental.

"Avec ça, l'image entière est venue d'un système qui pourrait produire des faisceaux de rayons X avec des moments angulaires orbitaux d'ordre différent et dans lequel les faisceaux diffusés magnétiquement pourraient être allumés et éteints, ", a déclaré Hastings.

Les rayons X ont tendance à être sensibles à la densité d'un matériau, mais peu sensible au moment magnétique. Pour obtenir des rayons X sensibles aux signaux magnétiques, les chercheurs ont utilisé une technique appelée diffusion magnétique des rayons X résonants (RXMS), avec un faisceau cohérent (c'est-à-dire une avec une amplitude et une phase bien définies). Cette technique leur a permis d'atteindre une sensibilité magnétique plus élevée, en accordant l'énergie du faisceau incident au bord d'absorption d'un élément.

"Dans notre cas, nous avons accordé au bord L3 du fer qui est à 707 eV (pour référence, Le rayonnement Cu K alpha est de 8 keV) puis nous avons diffracté à l'aide d'un faisceau de rayons X cohérent, " expliqua Roy. " En raison de la cohérence du faisceau, la phase du faisceau diffracté a agi de manière cohérente, de sorte que l'ensemble du faisceau sortant a acquis un front de phase hélicoïdal qui a donné naissance à l'OAM."

Lorsque les chercheurs réalisent une expérience de diffraction à l'aide des techniques RXMS, ils peuvent observer de forts pics à certains angles qui satisfont à la condition de Bragg, où les rayons X diffusés interfèrent de manière constructive. Comme l'espacement des réseaux dans les antiferromagnétiques est le double de celui des réseaux structuraux, le pic antiferromagnétique apparaît généralement dans une position différente. Cette différence de position aide les chercheurs à faire la distinction entre les pics de charge et de diffraction magnétique.

"Lorsque nous diffractons le tableau 2D fourchu, nous obtenons des faisceaux OAM à la fois aux pics de Bragg structurels et aux pics de Bragg magnétiques, " dit Roy. " Cependant, en raison des deux charges topologiques différentes, nous voyons différents contenus OAM dans les pics structuraux et magnétiques de Bragg. Par ailleurs, comme nous pouvons contrôler la glace de spin artificielle avec un champ appliqué, cela impliquait que nous serions en mesure de contrôler le contenu OAM du faisceau."

Les nano-aimants des ASI utilisés par Roy, Hastings et leurs collègues étaient en permalloy, un alliage de nickel et de fer. Pour créer le système qu'ils ont examiné, les chercheurs ont écrit un motif dans un polymère sur une plaquette de silicium, en utilisant une technique appelée lithographie par faisceau d'électrons.

"Notre échantillon a ensuite été recouvert de permalloy en évaporant le matériau sous vide (évaporation par faisceau d'électrons) lui permettant de se déposer sur le motif, " Hastings a dit. " Par la suite, nous avons retiré le polymère et le permalloy qui reposaient sur les régions sans motif (un processus appelé lift-off). Chaque nano-aimant mesurait 470 nm de long, 170 nm de large, et seulement 3 nm d'épaisseur. Un cheveu humain vaut environ 100, 000 nm de diamètre, donc si vous teniez debout ces aimants, environ 15 millions d'entre eux tiendraient au bout d'un cheveu humain."

Lorsque les faisceaux de rayons X ont été diffractés à l'angle approprié et lorsque le faisceau a été réglé sur le bord magnétique L3 du fer, les chercheurs ont découvert que le système ASI qu'ils ont examiné est entré dans un état fondamental antiferromagnétique. Ils ont ensuite confirmé la présence de cet état en imageant directement l'aimantation des nano-aimants dans le système, en utilisant une technique connue sous le nom de microscopie électronique à photoémission à dichroïsme magnétique circulaire à rayons X (XMCD-PEEM). En utilisant cette technique, ils ont illuminé l'ASI avec des rayons X et capturé les électrons émis par les nano-aimants dans un microscope électronique.

"Au cours des expériences de diffusion des rayons X, nous avons chauffé l'échantillon jusqu'à environ 100°C pour montrer que les faisceaux diffusés magnétiquement pouvaient être éteints avec la température lorsque l'ASI passait d'un ordre antiferromagnétique à un état paramagnétique, " a déclaré Hastings. " Il est intéressant de noter que le permalloy lui-même ne devient paramagnétique qu'à environ 600 ° C, donc l'ASI imite un para-aimant tandis que le permalloy reste ferromagnétique."

Les chercheurs ont également appliqué un champ magnétique à l'ASI qu'ils ont examiné pour orienter tous ses aimants dans la même direction. Plutôt que de tourner dans le champ magnétique externe, les nano-aimants ont changé leur direction de magnétisation en interne. Les chercheurs ont découvert qu'une fois que l'ASI n'était plus dans l'état fondamental antiferromagnétique, les faisceaux OAM de rayons X diffusés magnétiquement ont disparu.

"Jusque là, la génération de faisceau OAM en régime de rayons X était une tâche non triviale, " dit Roy. " Maintenant que nous pouvons générer ces faisceaux et aussi avoir un moyen de les contrôler, cela ouvre de nouvelles possibilités. Par exemple, ces faisceaux peuvent être utilisés pour étudier les textures topologiques de spin dans les systèmes magnétiques, tourbillons polaires dans les ferroélectriques, systèmes chiraux et nanostructures."

L'approche pour générer un OAM à rayons X commutable à partir d'ASI conçu par Roy, Hastings et leurs collègues pourraient avoir de nombreuses applications intéressantes. En plus d'éclairer de nouvelles études examinant divers matériaux, cela pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour l'utilisation des rayons X dans la science de l'information quantique. De plus, en utilisant les méthodes employées par cette équipe de recherche, les physiciens pourraient identifier d'autres matériaux qui pourraient être utilisés pour générer des faisceaux de rayons X sur mesure.

« La capacité de générer des OAM à rayons X contrôlables fournit un nouvel outil passionnant pour étudier d'autres matériaux, ", a déclaré Hastings. "Notre étude donne également un aperçu de la façon dont les glaces de spin artificielles se comportent en présence de ce que l'on appelle des défauts topologiques. C'est-à-dire, maintenant nous savons que les ASI carrés sans défaut ne sont pas frustrés et s'ordonnent de manière antiferromagnétique, que les défauts avec charge topologique d'un introduisent de la frustration, et les défauts de la charge topologique deux suppriment la frustration."

Roy, Hastings et ses collaborateurs tentent maintenant de déterminer si les faisceaux générés dans leurs expériences sont sensibles aux caractéristiques spécifiques d'autres matériaux. Si c'est le cas, leurs découvertes pourraient créer de nouvelles voies et de nouveaux horizons pour la recherche explorant différents systèmes matériels.

"En plus d'appliquer des faisceaux de rayons X OAM pour étudier d'autres matériaux, nous étudions également des ASI plus complexes pouvant générer différents faisceaux OAM, explorer de nouvelles façons de changer d'OAM, et essayer d'apprendre plus en détail comment les défauts topologiques affectent le comportement des ASI, ", a déclaré Hastings.

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