X射线磁圆二色法： 在正确的光线下观察磁体

艺术家对XMCD实验的印象。来自等离子体源的软X射线首先通过透射磁性薄膜进行圆偏振。随后，实际样品中的磁化作用可以被准确地确定。信用: Christian Tzschaschel

磁性纳米结构早已成为我们日常生活的一部分，例如，以快速和紧凑的数据存储设备或高灵敏度传感器的形式。一种特殊的测量方法为了解许多相关的磁效应和功能做出了重大贡献： X射线磁圆二色法（XMCD）。

这个令人印象深刻的术语描述了光和物质之间相互作用的一个基本效果： 在铁磁材料中，存在着具有一定角动量的电子的不平衡，即自旋。如果人们将同样具有确定角动量的圆偏振光照射到铁磁体中，可以观察到两个角动量平行或反平行排列时的明显的传输差异--所谓的二色性。

当考虑到过渡金属（如铁、镍或钴）以及稀土（如镝或钆）的特定元素吸收边缘时，这种磁源性的圆形二色性在软X射线区域（光粒子的能量为200至2000eV，对应的波长仅为6至0.6nm）尤为明显。

在Fe L吸收边缘（黑色数据点）通过被调查样品的平均传输可以被精确测量，并且被模拟（黑线）很好地描述。在两个吸收最大值处，见插图，可以观察到样品的两个不同的饱和磁化方向的明显二向性。到目前为止，这样的实验只有在大型设施中才有可能进行。资料来源：Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

这些元素对于磁效应的技术应用特别重要。XMCD效应可以精确地确定各元素的磁矩，即使是在材料的埋藏层中，也不会损坏样品系统。如果圆偏振软X射线辐射是非常短的飞秒到皮秒（ps）脉冲，甚至超快的磁化过程也可以在相关的时间尺度上被监测。

到目前为止，只有在大型科学设施中才能获得所需的X射线辐射，如同步辐射源或自由电子激光器（FELs），因此受到很大限制。

在柏林马克斯-伯恩研究所（MBI）初级研究组组长丹尼尔-施克（Daniel Schick）周围的一个研究小组现在首次成功地在激光实验室中实现了铁的吸收L边缘的XMCD实验，光子能量约为700 eV。一个激光驱动的等离子体源被用来产生所需的软X射线，通过将非常短的（2ps）和强烈的（每脉冲200mJ）光学激光脉冲聚焦到钨的圆柱体上。

由此产生的等离子体在200-2000eV的相关光谱范围内以小于10ps的脉冲持续时间连续发射出大量的光。然而，由于等离子体中的随机生成过程，观察XMCD的一个非常重要的要求没有得到满足--软X射线光的偏振不是圆形的，如要求的那样，而是完全随机的，类似于灯泡的情况。

 

偏振器后面的磁不对称性和在Fe L吸收边缘的受检样品。两种颜色对应的是偏振片反向磁化的测量结果--样品的磁化方向从观察到的二色性（蓝色与红色曲线）的标志中可以立即看出。这些测量结果可以通过模拟（线）非常准确地再现出来。资料来源：Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB)

因此，研究人员使用了一个技巧：X射线光首先通过一个磁偏振过滤器，在这个过滤器中，上述相同的XMCD效应被激活。由于依赖偏振的二色性传输，可以产生相对于过滤器的磁化而言具有平行与反平行角动量的光粒子的不平衡。在通过偏振过滤器后，部分圆偏振或椭圆偏振的软X射线可被用于磁性样品的实际XMCD实验。

这项工作发表在《Optica》杂志上，表明基于激光的X射线源正在赶上大规模设施。

"该研究的第一作者、MBI的博士生Martin Borchert说："我们产生圆偏振软X射线的概念不仅非常灵活，而且由于我们光源的宽带性质，部分优于XMCD光谱学的传统方法。特别是，已经证明产生的X射线脉冲的脉冲持续时间只有几皮秒，这为观察和最终理解甚至非常快的磁化过程提供了新的可能性，例如，当由超短光闪触发时。

参考资料

Martin Borchert et al, X-ray magnetic circular dichroism spectroscopy at the Fe L edges with a picosecond laser-driven plasma source, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.480221