Магнитные наноструктуры уже давно стали частью нашей повседневной жизни, например, в виде быстрых и компактных устройств хранения данных или высокочувствительных датчиков. Значительный вклад в понимание многих соответствующих магнитных эффектов и функциональных возможностей вносит специальный метод измерения: рентгеновский магнитный круговой дихроизм (XMCD). Этот впечатляющий термин описывает фундаментальный эффект взаимодействия между светом и материей: в ферромагнитном материале существует дисбаланс электронов с определенным моментом импульса, спином. Если через ферромагнетик пропускать свет с круговой поляризацией, который также имеет определенный угловой момент, наблюдается явная разница в пропускании при параллельном или антипараллельном выравнивании двух угловых моментов - так называемый дихроизм. Этот круговой дихроизм магнитного происхождения особенно выражен в области мягкого рентгеновского излучения (энергия световых частиц от 200 до 2000 эВ, что соответствует длине волны всего от 6 до 0,6 нм), если учитывать специфичные для элемента границы поглощения переходных металлов, таких как железо, никель или кобальт, а также редкоземельные элементы, такие как диспрозий или гадолиний.

Эти элементы особенно важны для технического применения магнитных эффектов. Эффект XMCD позволяет точно определять магнитный момент соответствующих элементов даже в скрытых слоях материала и не повреждать систему отбора проб. Если мягкое рентгеновское излучение с круговой поляризацией поступает в виде очень коротких импульсов от фемто- до пикосекунды (ps), можно отслеживать даже сверхбыстрые процессы намагничивания в соответствующем масштабе времени. До сих пор доступ к требуемому рентгеновскому излучению был возможен только на крупномасштабных научных установках, таких как источники синхротронного излучения или лазеры на свободных электронах (FELS), и поэтому был сильно ограничен.

Команда исследователей во главе с руководителем младшей исследовательской группы Даниэлем Шиком из Института Макса Борна (MBI) в Берлине впервые преуспела в проведении экспериментов XMCD на поглощающем L кромки железа при энергии фотонов около 700 эВ в лазерной лаборатории. Источник плазмы с лазерным приводом использовался для генерации требуемого мягкого рентгеновского излучения путем фокусировки очень коротких (2 пс) и интенсивных (200 МДж на импульс) оптических лазерных импульсов на цилиндр из вольфрама. Генерируемая плазма, таким образом, непрерывно излучает большое количество света в соответствующем спектральном диапазоне 200-2000 эВ при длительности импульса менее 10 пс. Однако из-за стохастического процесса генерации в плазме не выполняется очень важное требование для наблюдения XMCD - поляризация мягкого рентгеновского излучения не круговая, как требуется, а полностью случайная, аналогичная поляризации электрической лампочки. Поэтому исследователи применили хитрость: рентгеновский свет сначала проходит через фильтр магнитной поляризации, в котором активен тот же эффект XMCD, что и описанный выше. Из-за дихроичного пропускания, зависящего от поляризации, может возникнуть дисбаланс легких частиц с параллельным или антипараллельным угловым моментом относительно намагниченности фильтра. После прохождения через поляризационный фильтр частично циркулярно или эллиптически поляризованный мягкий рентгеновский свет может быть использован для фактического эксперимента XMCD на магнитном образце.

Работа, опубликованная в научном журнале ОПТИКА, демонстрирует, что лазерные источники рентгеновского излучения догоняют крупномасштабные установки. "Наша концепция генерации мягкого рентгеновского излучения с круговой поляризацией не только очень гибкая, но и частично превосходит традиционные методы XMCD-спектроскопии благодаря широкополосной природе нашего источника света", - говорит первый автор исследования и аспирант MBI Мартин Борхерт. В частности, уже продемонстрированная длительность генерируемых рентгеновских импульсов, составляющая всего несколько пикосекунд, открывает новые возможности для наблюдения и, в конечном счете, понимания даже очень быстрых процессов намагничивания, например, запускаемых ультракороткими вспышками света.