Как и в фотографии с фонариком, короткие, но интенсивные вспышки рентгеновских лучей позволяют записывать изображения или рентгеновские дифракционные картины, которые «замораживают» движение, которое медленнее, чем длительность рентгеновского импульса. Преимущество рентгеновских лучей перед видимым светом заключается в том, что объекты нанометрового масштаба могут быть различимы из-за короткой длины волны рентгеновских лучей. Кроме того, если длина волны рентгеновского излучения настроена в соответствии с конкретными энергиями электронных переходов, можно получить уникальный контраст, позволяющий, например, сделать видимым намагничивание различных доменов в материале.
Однако доля рентгеновских лучей, рассеянных на структуре магнитных доменов, уменьшается, когда интенсивность рентгеновского излучения в импульсе увеличивается. Хотя этот эффект наблюдался уже на самых первых изображениях магнитных доменов, полученных с помощью рентгеновского лазера на свободных электронах в 2012 году, было предложено множество различных объяснений, чтобы объяснить эту потерю интенсивности рассеянного рентгеновского излучения.
Группа исследователей из MBI в Берлине вместе с коллегами из Италии и Франции теперь точно зарегистрировала зависимость интенсивности резонансного магнитного рассеяния как функцию интенсивности рентгеновского излучения, падающего на единицу площади («флюенса») на ферромагнитный материал. образец домена.
Благодаря интеграции устройства для определения интенсивности каждого отдельного выстрела, попадающего в фактическую площадь образца, они смогли с беспрецедентной точностью регистрировать интенсивность рассеяния на трех порядках величины, несмотря на внутренние вариации от выстрела к выстрелу. рентгеновский луч попадает на крошечные образцы. Эксперименты с мягким рентгеновским излучением проводились на рентгеновском лазере на свободных электронах FERMI в Триесте, Италия.
Намагниченность – это свойство, напрямую связанное с электронами материала, которые создают магнитный момент через их спин и орбитальное движение. Для своих экспериментов исследователи использовали образцы ферромагнитных доменов, образующихся в кобальтсодержащих мультислоях, прототипном материале, часто используемом в экспериментах по магнитному рассеянию на рентгеновских лазерах.
При взаимодействии с рентгеновскими лучами населенность электронов нарушается, и уровни энергии могут изменяться. Оба эффекта могут привести к уменьшению рассеяния либо за счет кратковременного уменьшения фактической намагниченности в материале из-за перетасовки электронов с другим спином, либо из-за невозможности более детектировать намагниченность из-за сдвига уровней энергии.
Кроме того, обсуждалось, может ли начало стимулированного излучения при высоких плотностях рентгеновского излучения, вводимого во время импульса длительностью около 100 фемтосекунд, быть ответственным за потерю интенсивности рассеяния. Механизм в последнем случае связан с тем, что при вынужденном излучении направление испускаемого фотона копируется из падающего фотона.
В результате излучаемый рентгеновский фотон не будет влиять на луч, рассеянный вдали от исходного направления.
В результатах, представленных в журнале Physical Review Letters, исследователи показывают, что, хотя потери в магнитном рассеянии в резонансе с остовными уровнями Co 2p в прошлом приписывались вынужденному излучению, рассеяние в резонансе с более мелкими остовными уровнями Co 3p этот процесс не имеет значения. Экспериментальные данные во всем диапазоне флюенса хорошо описываются простым рассмотрением фактического размагничивания, происходящего в каждом магнитном домене, которое исследователи MBI ранее охарактеризовали с помощью лазерных экспериментов.
Учитывая короткое время жизни остовных уровней Co 3p, составляющее около четверти фемтосекунды, в котором преобладает оже-распад, вполне вероятно, что горячие электроны, генерируемые оже-каскадом совместно с последующими событиями электронного рассеяния, приводят к перетасовке спина вверх и спина. вниз электроны временно гасят намагниченность. Поскольку это уменьшенное намагничивание проявляется уже в пределах длительности используемых рентгеновских импульсов (70 и 120 фемтосекунд) и сохраняется в течение гораздо более длительного времени, последняя часть рентгеновского импульса взаимодействует с доменной структурой, где намагниченность фактически исчез. Это согласуется с наблюдением, что меньшее уменьшение магнитного рассеяния наблюдается при попадании на магнитный образец того же количества рентгеновских фотонов в течение более короткой длительности импульса.
Напротив, если бы стимулированное излучение было доминирующим механизмом, можно было бы ожидать противоположного поведения.
Помимо разъяснения механизма работы, результаты имеют важные разветвления для будущих одноразовых экспериментов с магнитными материалами в рентгеновских лазерах на свободных электронах. Подобно ситуации в структурной биологии, где визуализация белковых молекул с помощью интенсивных рентгеновских лазерных импульсов может быть затруднена из-за разрушения молекулы во время импульса, исследователи, исследующие магнитные наноструктуры, также должны разумно выбирать флюенс и длительность импульса в своих экспериментах.
После того, как зависимость резонансного магнитного рассеяния от флюенса была нанесена на карту, исследователи, работающие с рентгеновскими лазерами, теперь имеют руководство по планированию своих будущих экспериментов соответствующим образом.