该图描述了直径为100nm且由约800万个原子组成的磁性天线中电子自旋的取向。中心原子的旋转指向下（黄色），而周围原子的旋转缓慢变化，最终在圆周处翻转成“向上”取向。由Greg Stewart / SLAC国家加速器实验室供图

能源部SLAC国家加速器实验室运行强大的X射线激光的新方法，使研究人员能够检测和测量新数据存储和计算技术所考虑的磁性结构波动。

SLAC 的科研人员Joshua Turner和劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科研人员Sujoy Roy的团队，本月在Physical Review Letters期刊上发表了一篇文章，他们测量了这些结构的波动，称为磁悬浮，分辨率达到了十亿分之一秒，比以前好1000倍。

捕捉波动旋转纹理

天体是多原子旋涡纹理，其中原子的自旋取向在圆周上从中间的一个方向向相反的方向变化。它们易响应于电场，这使它们在数据存储技术、移位寄存器以及先进的计算技术等方面有很好的应用前景。

原子的电荷和自旋方面不是刚性的。他们用振动和其他动作（统称为波动）对许多作用力作出反应，其中一些力量甚至影响到原子自身的运动。理论人员最近提出，波动在确定复杂材料的行为方面，如高温超导现象可能有关键作用。

然而，到目前为止，还没有办法分析应用技术中所需的薄膜结构的斯格米子（skyrmion）波动。 最近开发的“双桶”模式可以在SLAC的线性相关光源（LCLS）自由电子激光器中创建X射线脉冲，从而使研究人员首次能够研究在不到十亿分之一秒的时间段内发生的平衡现象。

虽然单个LCLS脉冲通常间隔大约八分之一秒，但双桶技术创建的脉冲对相当于十亿分之三秒。当两年前他了解到双桶模式时，Turner突然意识到，这对测量磁系统的波动是有用的，例如斯格米子（skyrmion）波动。

“在这项研究之前，科学家已经使用LCLS在更快的时间尺度上研究非平衡物理学。” Turner解释说。“这项新技术打开了一系列实验的大门，现在可以在X射线电子激光器的平衡下进行实验。”

巧合的是，Turner的好朋友Roy曾经在伯克利实验室的高级光源（ALS）使用软X射线来检查天花板及其波动，在由加州圣地亚哥教授Eric Fullerton最近生长的铁钆层状材料中。两人很快就同意与Fullerton合作，使用LCLS来看看是否可以使用相同的样本来看到迅速的跳跃波。

SLAC科学家Matt Seaberg（左）和Josh Turner随时准备在LCLS的软X射线仪器上研究磁性气旋的快速变化。这些“磁漩涡”可以被操纵以创建新型的存储器存储设备。图片由Amanda Solliday / SLAC国家加速器实验室提供

使用X射线去除磁性变化

用于观察波动的检测过程称为X射线光子相关光谱。利用相干X射线的超短脉冲照射样品，产生表征样品磁特征的斑点干涉图案。用第二个脉冲快速跟踪，在同一个检测器上的第一个图案上方添加了第二个斑点图案。任何波动都会导致第二种模式发生变化，因此组合图像中的模糊度表示样本波动的大小。

Turner说“这种技术类似于测量星星的闪烁，以说明地球大气中湍流的细节。在这种情况下，测量检测到的X射线的“闪烁”目标是为了解材料的磁性结构如何波动以及它如何影响材料的性能。”

进行这些测量的几个难点之一是降低LCLS的X射线脉冲的强度，使得它们不会在样品中产生自己的波动。各种技术最终将样品的X射线通量降低到原始脉冲能量的百万分之一。

Turner说：“我们只想挑选样品。强烈的X射线脉冲与典型的LCLS“泵浦探针”实验相距甚远，可以通过设计、修改甚至爆炸样品。”

SLAC副研究员Matt Seaberg和本文的第一作者Matt Seaberg补充说，开发测量每对脉冲的X射线强度及其时间间隔，以及检测斑点图案中少量光子的方法也非常困难。研究人员将每对脉冲之间的时间从几分之纳秒调整到25纳秒（纳秒为十亿分之一秒），并调谐外部磁场以跨越样品中的一定范围的磁条件。

Roy说“这是一种全新的测量方式，时间分辨率受加速器产生的两个脉冲分开的时间限制。”

当他们将外部磁场调谐到样品中的最佳理想状态时，他们发现波动发生在约4纳秒的周期。但是，当磁场稍微减小到圆形结构，开始转向具有条状磁畴结构的另一相的波动时，波动周期仅下降到几分之纳秒。

Turner说：“这个结果表明，在天线和条带相位的边界附近，波动更大更快。”这种信息在解释磁性波动在一个阶段到另一个阶段变化时所起的作用是重要的，它还将允许我们连接到用于了解波动如何促进大量磁性和磁性固体的相变的理论模型。

Turner补充说，SLAC的合作文化在这项研究的成功中发挥了重要作用。科学家们与加速器物理学家Jim Turner和Franz-Josef Decker紧密合作，共同设计了双桶技术。

“这一切都是因为LCLS物理学家在X射线侧与加速器物理学方面的工作关系密切，”他说。“有时我们不清楚我们如何利用起这些惊人的发展，但是共同努力使这项工作取得了丰硕的成果。”

同一个团队正在继续使用相同的技术来更详细地检查富勒顿材料，而今年冬天的工作将会继续探索其他磁性复杂材料，如旋转和高温超导体。

来源：https://m.phys.org/news/2017-08-x-ray-laser-technique-reveals-magnetic.html

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