Percer les secrets and techniques des matériaux magnétiques nécessite le bon éclairage. Le dichroïsme circulaire magnétique aux rayons X permet de décoder l’ordre magnétique dans les nanostructures et de l’affecter à différentes couches ou éléments chimiques. Des chercheurs de l’Institut Max Born de Berlin ont réussi à mettre en œuvre cette strategy de mesure special dans le domaine des rayons X mous dans un laboratoire laser. Grâce à ce développement, de nombreuses questions technologiquement pertinentes peuvent désormais être étudiées en dehors des installations scientifiques à grande échelle pour la première fois.
Les nanostructures magnétiques font depuis longtemps partie de notre vie quotidienne, par exemple sous la forme de dispositifs de stockage de données rapides et compacts ou de capteurs très sensibles. Une contribution majeure à la compréhension de nombreux effets et fonctionnalités magnétiques pertinents est apportée par une méthode de mesure spéciale : le dichroïsme circulaire magnétique aux rayons X (XMCD). Ce terme impressionnant décrit un effet fondamental de l’interaction entre la lumière et la matière : dans un matériau ferromagnétique, il y a un déséquilibre des électrons avec un certain instant cinétique, le spin. Si l’on fait briller de la lumière polarisée circulairement, qui a également un minute cinétique défini, à travers un ferromagnétique, une nette différence de transmission pour un alignement parallèle ou antiparallèle des deux moments cinétiques est observable – un soi-disant dichroïsme. Ce dichroïsme circulaire d’origine magnétique est particulièrement prononcé dans la région des rayons X doux (énergie de 200 à 2000 eV des particules lumineuses, correspondant à une longueur d’onde de seulement 6 à, 6 nm), lorsque l’on considère les fronts d’absorption spécifiques à l’élément de transition des métaux comme le fer, le nickel ou le cobalt ainsi que des terres rares comme le dysprosium ou le gadolinium.
Ces éléments sont particulièrement importants pour l’application technique des effets magnétiques. L’effet XMCD permet de déterminer avec précision le moment magnétique des éléments respectifs, même dans les couches enterrées dans un matériau et sans endommager le système d’échantillonnage. Si le rayonnement de rayons X mous à polarisation circulaire se présente sous la forme d’impulsions femto à picosecondes (ps) très courtes, même les processus de magnétisation ultrarapides peuvent être surveillés sur l’échelle de temps appropriée. Jusqu’à présent, l’accès au rayonnement X requis n’était doable que dans des installations scientifiques à grande échelle, telles que des sources de rayonnement synchrotron ou des lasers à électrons libres (FEL), et était donc fortement limité.
Une équipe de chercheurs autour du chef de groupe de recherche junior Daniel Schick au Max Born Institute (MBI) à Berlin a maintenant réussi pour la première fois à réaliser des expériences XMCD sur les bords d’absorption L du fer à une énergie photonique d’environ 700 eV dans un laser laboratoire. Une supply de plasma pilotée par laser a été utilisée pour générer la lumière X douce requise, en focalisant des impulsions laser optiques très courtes (2 ps) et intenses (200 mJ par impulsion) sur un cylindre de tungstène. Le plasma généré émet ainsi beaucoup de lumière en continu dans la gamme spectrale pertinente de 200-2000 eV à une durée d’impulsion inférieure à 10 ps. Cependant, en raison du processus de génération stochastique dans le plasma, une exigence très importante pour observer le XMCD n’est pas satisfaite – la polarisation de la lumière des rayons X mous n’est pas circulaire, comme requis, mais complètement aléatoire, similaire à celle d’un ampoule. Par conséquent, les chercheurs ont utilisé une astuce : la lumière des rayons X traverse d’abord un filtre de polarisation magnétique dans lequel le même effet XMCD que celui décrit ci-dessus est actif. En raison de la transmission dichroïque dépendante de la polarisation, un déséquilibre des particules lumineuses avec un instant cinétique parallèle ou anti-parallèle par rapport à la magnétisation du filtre peut être généré. Après avoir traversé le filtre de polarisation, la lumière des rayons X doux partiellement polarisée de manière circulaire ou elliptique peut être utilisée pour l’expérience XMCD réelle sur un échantillon magnétique.
Les travaux, publiés dans la revue scientifique OPTICA, démontrent que les sources de rayons X à base de laser rattrapent les installations à grande échelle. “Notre idea de génération de rayons X mous à polarisation circulaire est non seulement très versatile, mais aussi en partie supérieur aux méthodes conventionnelles de spectroscopie XMCD en raison de la mother nature à huge bande de notre source lumineuse”, déclare le leading auteur de l’étude et doctorant au MBI. Martin Borchert. En particulier, la durée d’impulsion déjà démontrée des impulsions de rayons X générées de seulement quelques picosecondes ouvre de nouvelles possibilités pour observer et finalement comprendre même les processus de magnétisation très rapides, par exemple lorsqu’ils sont déclenchés par des flashs lumineux ultracourts.