European XFEL — один из крупнейших международных научных проектов, созданных за последние десятилетия в мире. Лазерная установка длиной больше трех километров была возведена в Германии, недалеко от Гамбурга, за семь лет по проекту, разработанному исследовательским центром DESY. Бюджет стройки превысил миллиард евро, что сопоставимо со стоимостью Большого адронного коллайдера, более четверти этой суммы предоставила Россия. Официальное открытие состоялось 1 сентября 2017 года.
Так называемое пусковое время лазера (время работы на станциях установки) расписано на полгода вперед. Ученые из разных стран Европы отправляют руководству European XFEL заявки для получения доступа к этому уникальному оборудованию, чтобы провести на нем свои исследования в области физики, химии, материаловедения, биологии, медицины и других наук. Университет ИТМО выступает участником ассоциации, главная задача которой — помощь российским исследователям в подготовке и реализации проектов, подаваемых на European XFEL и другие мегаустановки.
В ноябре 2018 года петербургские ученые из Университета ИТМО и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе подали на XFEL заявку по исследованию сверхбыстрого размагничивания ферромагнитных материалов под действием фемтосекундных импульсов инфракрасного лазера. Проект успешно прошел процедуру отбора заявок и получил пучковое время в сентябре 2019 года. В ходе проведенного эксперимента российским ученым и их немецким коллегам удалось обнаружить новый эффект, результаты были представлены на Международной конференции пользователей DESY и European XFEL, проходившей в Гамбурге в период с 29 по 30 января 2020 года.
Выстрел из лазера в сэндвич
На European XFEL имеется шесть исследовательских станций. Россияне получили доступ к оборудованию станции SCS, где можно изучать взаимодействие мягких рентгеновских лучей с веществом методом малоуглового рассеяния.
«Мы проводили фундаментальное исследование, чтобы лучше понять физику сверхбыстрых процессов, происходящих в магнитных средах, — рассказывает руководитель проекта, сотрудник Транснационального научно-образовательного центра «UniFEL» Университета ИТМО Игорь Пронин. — В 1996 году был обнаружен эффект сверхбыстрого размагничивания ферромагнетика. Оказалось, что если очень коротким лазерным импульсом ударить по тонкой пленке никеля, то она практически мгновенно размагничивается, а затем идет процесс восстановления магнитного порядка, в ходе которого энергия фотовозбужденных электронов передается сначала спиновой системе, а потом — кристаллической решетке твердого тела. В дальнейшем было обнаружено, что в случае более сложных магнитных материалов (ферримагнетиков) одиночные лазерные импульсы могут не только сверхбыстро их размагничивать, но и практически мгновенно переключать направление намагниченности на противоположное. Это открывает возможность создания сверхбыстрой магнитной памяти. Однако физика этих процессов очень сложна, и в научной литературе до сих пор идут споры о микроскопическом механизме наблюдаемых явлений».
Для исследования сверхбыстрых магнитных процессов с помощью рентгеновского лазера нужны тонкопленочные образцы, в которых проходящие рентгеновские лучи испытывают лишь упругое рассеяние на магнитных доменах. Такие образцы были выращены на специальных кремниевых чипах размером 1 см2 с 64 окнами 0,5х0,5 мм2, затянутыми пленкой нитрида кремния толщиной 50 нм. На поверхность этой пленки наносились чередующиеся слои кобальта и платины толщиной в 1 нм. Получившийся «сэндвич» состоял из шести пар металлических слоев. Такая система обладает очень интересной магнитной структурой. Магнитные моменты доменов (то есть областей, в которых спины электронов выстроены в определенном направлении, что вызывает суммарный магнитный момент, как в случае со стрелкой компаса, указывающей на север) пленки ориентированы не вдоль поверхности, а перпендикулярно к ней. При большом увеличении эти домены выглядят как лабиринты или переплетенные червяки. При этом «червяки» одного цвета смотрят на «север», а другого — на «юг». Ширина доменов составляет лишь 100 нанометров.
Игорь Пронин. Фото: ITMO.NEWS
Чтобы понять, что происходит с такими доменами в результате действия на образец импульсов лазерного излучения, ученые помещали кобальтово-платиновые «сэндвичи» в установку и многократно обстреливали их инфракрасным лазером.
«Эксперимент проводился методом накачки и зондирования, — рассказывает ученый, — Сначала мы возбуждали образец очень коротким импульсом инфракрасного лазера с длиной волны 800 нм, затем шла серия столь же коротких импульсов рентгеновского излучения. Каждый из них просвечивал образец и давал на детекторе картину рассеяния рентгеновских лучей, которая содержит в себе информацию о магнитной структуре образца в момент прохождения через него рентгеновского импульса. Для накопления статистики такая процедура повторялась много тысяч раз. Если проанализировать все эти картины, полученные для различных задержек между импульсами накачки и зондирования, то можно шаг за шагом проследить (как в кино) весь процесс восстановления магнитной системы образца после его размагничивания. Важно подчеркнуть, что использование рентгеновского лазера на свободных электронах позволяет провести это исследование с рекордно высоким временным и пространственным разрешением».
Круги на детекторе
Важнейшим элементом станции SCS является самый быстрый в мире детектор, который позволяет за одну секунду регистрировать до 4 000 000 картин рассеяния рентгеновских лучей. Для образцов с лабиринто-подобными доменами эти картины представляют собой кольца, радиус которых определяется средним размером домена. Причем, чем больше кольцо, тем меньше домены. В ходе эксперимента были детально исследованы зависимости яркости колец малоуглового доменного рассеяния от времени, прошедшего после импульса инфракрасного излучения, от мощности этого импульса, от типа поляризации лазерного излучения (линейная, круговая) и от величины магнитного поля, приложенного к образцу.
Однако, помимо доменов размером около 100 нм, характерных для равновесного состояния образца, авторы проекта надеялись увидеть и более мелкие элементы магнитной структуры, которые могут возникнуть в образце после его импульсного нагрева инфракрасным лазером. С этой целью расстояние между образцом и детектором было выбрано таким образом, чтобы, кроме маленьких колец рассеяния на доменах, на нем были бы видны и большие кольца от рассеяния на мелких магнитных частицах размером порядка 10 нм. Ранее таких экспериментов никто не проводил.
«С помощью метода магнитного рассеяния рентгеновских лучей мы не только исследовали сверхбыструю динамику размагничивания образцов, но увидели также новые картины рассеяния на мелких магнитных частицах размером порядка 10 нм, — рассказывает Игорь Пронин, — То есть мы ударяем по образцу лазером, быстро нагревая его. В результате лабиринто-подобные домены почти исчезают, и в течение первой пикосекунды на детекторе практически ничего не видно. Затем через 2 -3 пс появляется широкое кольцо рассеяния рентгеновских лучей на большие углы, которое, сужаясь, быстро схлопывается и исчезает примерно через 100 пс. Яркость кольца пропорциональна мощности лазерного импульса, а намагничивание образца до насыщения приводит к исчезновению эффекта. Ранее такие кольца не наблюдались, и поскольку они существуют очень короткое время мы назвали этот эффект переходным магнитным рассеянием в ферромагнетике, вызванным инфракрасным возбуждением. Что же касается лабиринто-подобных доменов, то они почти полностью восстанавливаются через несколько микросекунд».
Механизм возникновения обнаруженного эффекта пока не ясен. Российские исследователи продолжают анализировать данные, полученные в ходе эксперимента, и лишь выдвинули некоторые гипотезы о природе эффекта.
«Можно, например, предложить простую модель, в которой на границах доменов из-за взаимопроникновения фотовозбужденных спин-поляризованных горячих электронов рождаются небольшие флуктуации. Эти флуктуации можно рассматривать как спиновые токи противоположных направлений, которые протекают перпендикулярно границе домена. Горячие электроны с положительным спином врываются в соседний отрицательно намагниченный домен и наоборот. Эти взаимопроникновения вызывают поперечное гофрирование границ доменов с периодом порядка 10 нм, что и приводит к появлению переходного магнитного рассеяния», — поясняет Пронин.
Но на этом исследования не заканчиваются. Ученым предстоит дать более точный ответ относительно природы обнаруженного эффекта. Кроме того, в планах группы поработать с более сложными магнитными материалами, перспективными для использования в современных информационных технологиях.
