[논문 리뷰] Time-resolving magnetic scattering on rare-earth ferrimagnets with a bright soft-X-ray high-harmonic source

G. Fan, Katherine Légaré외 17명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 31.

Crystallography and Radiation Phenomena참고 문헌 42인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 테르비움 N-엣지(155 eV)에서 테이블탑 고조화성 발진(HHG) 소스를 사용하여 처음으로 시간해상도 X선 공명 자성산란(tr-XRMS)을 구현한 것으로, Co/Tb 페리자성 합금에서 자성 도메인 동역학을 피코초 및 나노미터 해상도로 측정할 수 있게 하였다. 이 방법은 테라와트 수준의 kHz 재반복률 Yb:CaF₂ 레이저로 구동되는 헬륨에서 위상 일치된 HHG를 통해 >2×10⁹ 광자/s/1% 대역폭의 높은 광자 레이트를 달성하여, 스핀-전달 토크 효과와 유사한 속도로 초고속 자성 도메인 팽창을 규명하였다.

ABSTRACT

We demonstrate the first time-resolved X-ray resonant magnetic scattering (tr-XRMS) experiment at the N edge of Tb at 155 eV performed using a tabletop high-brightness high-harmonic generation (HHG) source. In contrast to static X-ray imaging applications, such optical-pump X-ray-probe studies pose a different set of challenges for the ultrafast driver laser because a high photon flux of X-rays resonant with the N edge must be attained at a low repetition rate to avoid thermal damage of the sample. This laboratory-scale X-ray magnetic diffractometer is enabled by directly driving HHG in helium with terawatt-level 1 um laser fields, which are obtained through pulse compression after a high-energy kHz-repetition-rate Yb:CaF2 amplifier. The high peak power of the driving fields allows us to reach the fully phase-matching conditions in helium, which yields the highest photon flux (>2x10^9 photons/s/1% bandwidth) in the 100-220 eV spectral range, to the best of our knowledge. Our proof-of-concept tr-XRMS measurements clearly resolve the spatio-temporal evolution of magnetic domains in Co/Tb ferrimagnetic alloys with femtosecond and nanometer resolution. In addition to the ultrafast demagnetization, we observe magnetic domain expansion with a domain wall velocity similar to that induced by spin transfer torque. The demonstrated method opens up new opportunities for time-space-resolved magnetic scattering with elemental specificity on various magnetic, orbital and electronic orderings in condensed matter systems.

연구 동기 및 목표

• 고조화성 발현(HHG)을 이용한 초고속 자성 재료 연구를 위한 소형 테이블탑 X선 자성 회절계 개발
• 초고속 펌프-프로브 실험에서 샘플의 열손상을 방지하기 위해 저반복률에서 고광자 레이트의 공명 연질 X선을 공급하는 데 도전 과제 해결
• 특히 Co/Tb 합금을 포함한 희토류 페리자성체에서 요소 특이성 있는 시간-공간-해상도 자성 산란 실현
• 자성 도메인 진화 및 자화 소실 동역학을 피코초 및 나노미터 해상도로 측정하기

제안 방법

• 고에너지, kHz 재반복률 Yb:CaF₂ 레이저 앰프가 높은 펄스 에너지를 가진 1030 nm 펄스를 생성한다.
• 펄스는 100 fs 이내로 압축되어 고조화성 발현(HHG)의 효율을 높이기 위한 테라완트 수준의 피크 전력에 도달한다.
• 헬륨 기체에서 완전한 위상 일치 조건 하에 직접 HHG를 유도하여 100–220 eV 범위의 밝고 간섭가능한 연질 X선을 생성한다.
• Co/Tb 페리자성 박막에서 자성 산란을 위해 Tb N-엣지(155 eV)로 X선 빔을 튜닝한다.
• 시간해상도 펌프-프로브 구성은 광학 레이저로 샘플을 자극하고 HHG X선으로 피코초 시간 해상도로 자성 반응을 측정한다.
• 요소 특이성과 높은 공간 해상도를 제공하는 공명 X선 회절을 통해 자성 도메인 동역학을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테이블탑 고조화성 발진 소스가 Tb N-엣지(155 eV)에서 열손상을 유발하지 않으면서도 시간해상도 자성 산란에 필요한 충분한 X선 레이트를 제공할 수 있는가?
• RQ2 광학 자극 후 Co/Tb 페리자성 합금에서 자성 도메인의 시간적 진화는 어떠한가?
• RQ3 자기 상태에서 유도된 도메인벽 이동 속도는 스핀트랜스퍼 토크에 의해 유도된 것과 비교하여 어떠한가?
• RQ4 자화 소실 및 도메인 팽창을 포함한 초고속 자성 동역학을 피코초 및 나노미터 해상도로 해결할 수 있는가?
• RQ5 복잡한 상관 물질에서 자성 구조를 탐색하는 데 있어 요소 특이적 공명 산란의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• HHG 소스는 100–220 eV 범위에서 >2×10⁹ 광자/s/1% 대역폭의 광자 레이트를 달성하여 이 스펙트럼 영역에서 보고된 바 중 최고 수준이었다.
• 연구는 소형 실험실 장비를 사용하여 Tb N-엣지(155 eV)에서 시간해상도 X선 공명 자성산란(tr-XRMS)을 실현하였다.
• 피코초 시간 척도에서 초고속 자화 소실이 관측되었으며, 이는 이전 연구와 일치하였다.
• 스핀-전달 토크에 의해 유도되는 것과 유사한 속도로 자성 도메인 팽창이 해상도로 확인되었다.
• 이 방법은 요소 특이성과 나노미터 수준의 공간 해상도를 제공하여 시간-공간-해상도 자성 구조 연구를 가능하게 하였다.
• 결과적으로 밝고 소형의 HHG 소스를 이용해 복잡한 고체계에서의 자성 현상을 탐색하는 것이 가능하다는 것이 입증되었다.