迈向超快纳米电子学的X射线步骤

迄今为止，这种现象还鲜为人知，但未来可能会用于纳米电子学，例如构建超快磁开关。朝着这一目标迈出的重要一步是由波兰-德国-意大利科学家团队开发的新模拟工具，作为欧洲XFEL和IFJPAN联合研究项目的一部分。

任何信息处理设备的运行速度都不能超过其运行背后的物理现象发生的速度。这就是为什么物理学家继续寻找在越来越短的空间和时间尺度上运行但又可以相对容易控制的现象。一个有前途的研究方向似乎是由超快X射线激光脉冲引发的铁磁多层材料的退磁过程。

来自波兰、德国和意大利的物理学家团队在欧洲XFEL设施和汉堡DESY设施工作，现在可以在这一领域取得重大成就：他们在npj计算材料方面的研究提出了第一个工具，可以模拟X射线引起的退磁过程。来自位于克拉科夫的波兰科学院核物理研究所(IFJPAN)的科学家是该团队的重要组成部分。

“近年来，物理学家已经非常熟悉由可见光或近红外光引发的退磁过程。然而，当谈到能量更高的X射线辐射的影响时，我们都只是迈出了第一步。我们团队的贡献在于构建了一个称为XSPIN的理论模型。在它的帮助下，首次可以模拟暴露于X射线激光飞秒脉冲的多层铁磁材料的退磁，”BeataZiaja教授说。Motyka(CFEL、DESY和IFJPAN)与AlexanderLichtenstein教授(汉堡大学和欧洲XFEL)和SergeyMolodtsov(欧洲XFEL)教授一起发起了所描述的研究项目。

多层材料的快速退磁现象于1996年被发现，此后引起了许多科学团队的关注。在没有产生足够X射线的设备的情况下，研究主要使用可见光或红外光进行。在过去十年中，当物理学家更广泛地使用X射线自由电子激光器(XFEL)时，情况发生了巨大变化。这是因为这些设备能够产生以飞秒(即千万亿分之一秒)计算的高强度和持续时间的X射线脉冲。

多亏了他们，几年前才发现多层材料中由X射线引发的退磁比在可见光或红外光下发生的退磁要快得多。然而，缺乏能够可靠地模拟退磁过程的连贯理论描述。

“XSPIN是我们十多年来一直在构建的早期模拟工具的开发，用于预测与激光脉冲对材料的影响相关的现象。该模型没有区分材料中电子自旋的方向，因此没有没有描述它们的磁性。因此，主要的挑战是巧妙地扩展模型以考虑电子的极化，”UAM(CFEL、DESY和UAM，波兹南)教授KonradJ.Kapcia博士说VictorTkachenko博士(IFJPAN)，该论文的第一作者。

通过将新工具的预测与在意大利FERMI自由电子激光器上使用mSAXS技术进行的一项早期实验中收集的数据进行比较，验证了新工具的正确性。当时，样品是由16层交替的钴和铂层组成的材料，每层厚度仅为1纳米。

FERMI激光器发射的光子能量为60电子伏特。当与材料相互作用时，X射线散射并在样品后面形成一个衍射环。这个环是有价值信息的来源——它的直径取决于材料中磁畴之间的平均距离，它的强度越大，样品的磁性越强。

“在分析实验中，衍射环的行为与我们的模型预测的一样。当照射样品的光强度增加时，其直径保持不变，因此材料中磁畴的排列没有改变。同时，越高入射光的强度越强，由于发生退磁，环越弱。此外，测得的退磁时间约为100飞秒，这也与我们的模拟一致，“IFJ潘。

模型预测与实验结果的一致意味着物理学家第一次拥有了控制X射线引起的退磁的工具。使用XSPIN，现在可以针对特定的多层材料调整激光脉冲的参数(它们的能量、持续时间和强度)，以便在需要指定的空间和/或时间尺度上发生退磁。

XSPIN模型将进一步扩展，并面对多层材料的进一步实验结果，这些材料还包含钴以外的铁磁体，并被能量高得多的光子照射。最接近进一步验证的机会是来自美国斯坦福大学LCLS激光器的数据，该数据是在一项实验中收集的，样本由40层钴和钯制成，并用能量为780eV的光子消磁。还计划在欧洲XFEL激光器上进行类似的实验。

迄今为止进行的模拟和测量使科学家们保持谨慎乐观。越来越多的迹象表明，在未来，X射线诱导退磁确实可以用于构建下一代纳米电子设备。最初，这些可能包括，例如，由激光脉冲控制的超快磁开关。另一个潜在的应用领域似乎是动态计算机存储器。

在这种情况下，与退磁域恢复到其原始状态的时间相关的知之甚少的过程发挥了关键作用。因此，对这些过程的充分深入理解和描述将需要进一步的理论和实验研究。