Magnetische Nanostrukturen gehören längst zu unserem Alltag, zB in Form von schnellen und kompakten Datenspeichern oder hochsensiblen Sensoren. Einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis vieler relevanter magnetischer Effekte und Funktionsweisen leistet ein spezielles Messverfahren: Röntgenmagnetischer Zirkulardichroismus (XMCD).
Dieser eindrückliche Begriff beschreibt einen grundlegenden Effekt der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie: In einem ferromagnetischen Material herrscht ein Ungleichgewicht von Elektronen mit einem bestimmten Drehimpuls, dem Spin. Strahlt man zirkular polarisiertes Licht, das ebenfalls einen definierten Drehimpuls hat, durch einen Ferromagneten, so ist ein deutlicher Transmissionsunterschied bei paralleler oder antiparalleler Ausrichtung der beiden Drehimpulse zu beobachten – ein sogenannter Dichroismus.
Dieser Circulardichroismus magnetischen Ursprungs ist im weichen Röntgenbereich (200 bis 2000 eV Energie der Lichtteilchen, entsprechend einer Wellenlänge von nur 6 bis 0,6 nm) besonders ausgeprägt, wenn man die elementspezifischen Absorptionsübergangskanten betrachtet Metalle wie Eisen, Nickel oder Kobalt sowie seltene Erden wie Dysprosium oder Gadolinium.
Diese Elemente sind besonders wichtig für die technische Anwendung magnetischer Effekte. Der XMCD-Effekt ermöglicht es, das magnetische Moment der jeweiligen Elemente auch in vergrabenen Schichten in einem Material präzise zu bestimmen, ohne das Probensystem zu beschädigen. Wenn die zirkular polarisierte weiche Röntgenstrahlung in sehr kurzen Pulsen von Femto- bis Pikosekunden (ps) eintrifft, können sogar ultraschnelle Magnetisierungsvorgänge auf der relevanten Zeitskala verfolgt werden.
Bisher war der Zugang zu der benötigten Röntgenstrahlung nur an wissenschaftlichen Großgeräten wie Synchrotronstrahlungsquellen oder Freie-Elektronen-Lasern (FEL) möglich und damit stark eingeschränkt.
Einem Forscherteam um Nachwuchsgruppenleiter Daniel Schick vom Max-Born-Institut (MBI) in Berlin ist es nun erstmals gelungen, XMCD-Experimente an den Absorptionskanten L von Eisen bei einer Photonenenergie von etwa 700 eV in einem Laser zu realisieren Labor. Eine lasergetriebene Plasmaquelle wurde verwendet, um das erforderliche weiche Röntgenlicht zu erzeugen, indem sehr kurze (2 ps) und intensive (200 mJ pro Puls) optische Laserpulse auf einen Zylinder aus Wolfram fokussiert wurden.
Das erzeugte Plasma emittiert dabei kontinuierlich viel Licht im relevanten Spektralbereich von 200–2000 eV bei einer Pulsdauer kleiner 10 ps. Durch den stochastischen Entstehungsprozess im Plasma wird jedoch eine sehr wichtige Voraussetzung zur Beobachtung von XMCD nicht erfüllt – die Polarisation des weichen Röntgenlichts ist nicht wie gefordert zirkular, sondern völlig zufällig, ähnlich wie bei einem Licht Birne.
Deshalb bedienten sich die Forscher eines Tricks: Das Röntgenlicht passiert zunächst einen magnetischen Polarisationsfilter, in dem der gleiche XMCD-Effekt wie oben beschrieben aktiv ist. Aufgrund der polarisationsabhängigen dichroitischen Transmission kann ein Ungleichgewicht von Lichtteilchen mit parallelem vs. antiparallelem Drehimpuls relativ zur Magnetisierung des Filters erzeugt werden. Nach Passieren des Polarisationsfilters kann das teilweise zirkular oder elliptisch polarisierte weiche Röntgenlicht für das eigentliche XMCD-Experiment an einer magnetischen Probe verwendet werden.
Die Arbeit, veröffentlicht in der Zeitschrift Optikzeigt, dass laserbasierte Röntgenquellen gegenüber Großanlagen aufholen.
„Unser Konzept zur Erzeugung von zirkular polarisierter weicher Röntgenstrahlung ist nicht nur sehr flexibel, sondern aufgrund der Breitbandnatur unserer Lichtquelle auch konventionellen Methoden in der XMCD-Spektroskopie teilweise überlegen“, sagt der Erstautor der Studie und Doktorand. Student am MBI, Martin Borchert. Insbesondere die bereits gezeigte Pulsdauer der erzeugten Röntgenpulse von nur wenigen Pikosekunden eröffnet neue Möglichkeiten, auch sehr schnelle Magnetisierungsvorgänge, zB ausgelöst durch ultrakurze Lichtblitze, zu beobachten und letztendlich zu verstehen.
Mehr Informationen:
Martin Borchert et al, Magnetische Circulardichroismus-Röntgenspektroskopie an den Fe L -Kanten mit einer Pikosekundenlaser-gesteuerten Plasmaquelle, Optik (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.480221