Cинхротронное излучение для магнетизма

Вопрос о том, чувствительно ли рентгеновское излучение к магнитным свойствам среды, заинтересовал физиков вскоре после открытия в 1895 г. В. К. Рентгеном нового вида излучения. Это излучение знакомо каждому, поскольку оно широко используется в медицине для диагностики различных заболеваний. В основном, используется его большая проникающая способность и зависимость от плотности вещества, а в качестве источников выступают рентгеновские трубки. В физике рентгеновское излучение широко применяется для изучения структуры конденсированных сред. Методы рентгеноструктурного анализа основаны на дифракции рентгеновских лучей, открытой в 1912 г. М. фон Лауэ и впервые использованной для определения структуры кристаллов У. Л. и У. Г. Брэггами. Примерно в то же время рассматривался вопрос о чувствительности рентгеновских лучей к магнитным свойствам вещества, и ответ был отрицательным (А. Х. Форман — 1914 г., О. А. Беккер — 1922 г.). Важный вклад в рассмотрение вопроса внесли сотрудники физического факультета МГУ В. Карчагин и Е. Четверикова, которые обнаружили влияние намагниченности в железе на вращение плоскости поляризации (Z. Fur Phyzik, 39, 886-900 (1926)). Хотя эффект был крайне слаб, он проявлялся более отчетливо при энергии излучения, близкой к краю поглощения железа. Дальнейшие исследования (Д. К. Фроман, 1932) подтвердили результаты В. Карчагина и Е. Четвериковой. Прошло достаточно много времени, прежде чем теоретические (Дж. Л. Эрскин и Е. А. Штерн, 1975) и экспериментальные (Д. Шютц и др., 1983 г., Е. Келлер и Е. Штерн, 1984) исследования показали чувствительность ближней тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения к магнитным свойствам. В 1970 г. в работе П. М. Платцмана и Н. Тцоара, а позднее — Ф. де Бержевена и М. Брюнеля (1981 г.) было обосновано существование магнитного вклада в амплитуду рассеяния рентгеновского излучения. Вдали от краев поглощения она на два порядка слабее амплитуды рассеяния на электронной плотности, но сильно возрастает при энергии падающего излучения, близкой к краям поглощения. Первые эксперименты по наблюдению магнитных эффектов при дифракции рентгеновских лучей были выполнены с использованием рентгеновской трубки (Ф. де Бержевин, 1981 г., д. Гиббс и др., 1985 г.).

Реально рентгеновское излучение стало широко применяться для изучения магнетизма в 80-х годах прошлого столетия после создания источников синхротронного излучения. Существование синхротронного излучения релятивистских электронов в бетатроне было предсказано в 1944 г. Д. Д. Иваненко и И. Я. Померанчуком, а его классическая теория разработана Д. Д. Иваненко и А. А. Соколовым в 1948 г., и независимо Дж. Швингером. Большая яркость современных синхротронных источников (для синхротронов третьего поколения на 10-12 порядков превышающая яркость рентгеновских трубок) дает возможность проводить измерения достаточно слабых эффектов за разумное время эксперимента, а высокая степень поляризации синхротронного излучения позволяет выполнять поляризационные измерения, что очень важно для изучения анизотропных свойств среды. Кроме того, существует возможность сканирования по энергии, т. е. изучения энергетических спектров как в геометрии поглощения, так и в дифракции. Использование ондуляторов на синхротронах третьего поколения позволило создавать кругополяризованное рентгеновское излучение, которое необходимо для изучения некоторых фундаментальных свойств твердых тел, например, хиральности, а также магнетизма. В настоящее время на синхротронах существует множество станций, специализирующихся на изучении магнитной структуры и свойств как в геометрии пропускания, так и в геометрии рассеяния. Методы исследования при энергиях, близких к краям поглощения, принято называть резонансными, т. к. падающее излучение вызывает переход электрона с основного уровня в незанятые состояния выше уровня Ферми. Чувствительность резонансных методов к магнитным свойствам и локальной кристаллической анизотропии обусловлена расщеплением возбужденных электронных состояний в веществе. Информация, которую дает поглощение и рассеяние синхротронного излучения, уникальна, и не доступна альтернативным методам исследования (в том числе, магнитной нейтронографии). Например, возможно разделить спиновый и орбитальный вклады в магнитный момент.

Использование синхротронного излучения для дифракционных экспериментов позволяет изучать локальные свойства кристалла, т. к. вблизи краев поглощения атомы рассеивают рентгеновское излучение анизотропно. Те атомы, которые кристаллографически эквивалентны, т. е. одинаковы в обычной рентгеновской дифракции, различны для резонансной дифракции, что приводит к возникновению так называемых «запрещенных» отражений. Метод, основанный на изучении энергетической, азимутальной, поляризационной, температурной зависимости «запрещенных» отражений, развивается на кафедре физики твердого тела (Е. Н. Овчинникова, А. П. Орешко) совместно с ИК РАН (В. Е. Дмитриенко). Экспериментальная часть работы выполняется совместно с коллегами, работающими на ведущих европейских синхротронах: ESRF (Греноболь, Франция), DIAMOND (Чилтон, Англия), PETRA III (Гамбург, Германия), а также в РНЦ «Курчатовский институт». В последние годы ряд работ посвящены интерференционным эффектам в резонансной дифракции синхротронного излучения, и обнаружены некоторые новые явления, например, аномальное возрастание с температурой интенсивности «запрещенных» отражений в кристаллах: Ge, ZnO, GaN, KDP, RDP.

Рис. 1. Шестикружный дифрактометр для изучения резонансной дифракции синхротронного излучения. Слева — Г. Бютье (SIMaP, CNRS, France).

В 2010 г. было предложено использовать дифракцию синхротронного излучения для определения знака взаимодействия Дзялошинского-Мория (ДМ) (V. E. Dmitrienko, E. N. Ovchinnikova, J. Kokubun, K. Ishida. «Dzyaloshinskii Moriya interaction. How to measure its sign in weak ferromagnetics?» Письма в ЖЭТФ. 92 (6), 424-428 (2010)). В настоящее время взаимодействие ДМ рассматривается как ключевой элемент в физике мультиферроиков — перспективных материалов для записи и хранения информации. Магнетизм — спонтанное выстраивание магнитных моментов в материале — обусловлен квантовомеханическими «обменными» взаимодействиями. Межатомные взаимодействия могут быть косвенными, через возмущение окружающей среды. Например, антисимметричное суперобменное взаимодействие через лиганды — взаимодействие Дзялошинского-Мория (ДМ) (Dzyaloshinsky, Sov. Phys. JETP 5, 1259 (1957); J. Phys. Chem. Solids 4, 241 (1958), T. Moriya, Phys. Rev. Lett. 4, 228 (1960); Phys. Rev. 120, 91 (1960)) — приводит к появлению слабого ферромагнетизма. Энергия взаимодействия ДМ пропорциональна векторному произведению спинов IDM~D[SixSj], где D — вектор Дзялошинского-Мория, величина и направления которого тесно связаны с локальной симметрией системы. Это взаимодействие мало по сравнению с величиной изотропного обменного взаимодействия, которое отвечает за параллельное или антипараллельное выстраивание спинов, но именно оно ответственно за малый «твист», или скос, магнитных моментов. Слабые ферромагнетики являются примером достаточно простых магнитных структур, в которых ДМ взаимодействие определяет скос антипараллельно ориентированных соседних спинов, а его знак определяет направление локального «твиста» спинов. Поэтому именно слабые ферромагнетики были выбраны как модельный объект для изучения связи направления вектора ДМ с локальной симметрией окружения атома.

Новый экспериментальный метод по изучению взаимодействия ДМ основан на интерференции магнитного и резонансного рассеяния рентгеновских лучей, дополненной вращением антиферромагнитных моментов внешним магнитным полем. В статье, опубликованной в Nature Physics (V. E. Dmitrienko, E. N. Ovchinnikova, S. P. Collins, G. Nisbet, G. Beutier, Y. O. Kvashnin, V. V. Mazurenko, A. I. Lichtenstein, and M. I. Katsnelson, «Measuring the Dzyaloshinskii–Moriya interaction in a weak ferromagnet», Nature Physics 10 (3), 202–206 (2014).), приведены первые результаты, полученные данным методом, по определению фазы магнитного рассеяния рентгеновских лучей и знака ДМ взаимодействия в кристалле FeBO3. FeBO3 является антиферромагнетиком, в котором магнитные подрешетки почти антипараллельны, но слабый «твист» локального окружения атомов железа за счет смещения атомов кислорода в слоях, приводит к появлению слабого ферромагнитного момента. Является ли соответствующий «твист» магнитных моментов «правым» или «левым», зависит от знака взаимодействия ДМ. Этот знак в FeBO3 определен в статье из экспериментальных данных и подтвержден расчетами.

Рис. 2. Левая панель — спектр квадрупольного запрещенного отражения (красная кривая) и спектр поглощения (зеленая кривая) в борате железа.

Правая панель — азимутальная зависимость запрещенного отражения (V. E. Dmitrienko, et al., Nature Physics 10 (3), 202–206 (2014)).

Эксперимент был выполнен на станции XMAS синхротрона ESRF (Гренобль, Франция). Измерялись отражения 003 и 009, «запрещенные» для обычного рассеяния на зарядовой плотности, которые возникают благодаря резонансному и магнитному рассеянию рентгеновских лучей, амплитуды которых сравнимы при энергиях падающего излучения, близких к краям поглощения железа (рис. 2). Знак и амплитуда магнитного рассеяния зависят от ориентации магнитных моментов, которые можно вращать внешним магнитным полем благодаря наличию слабого ферромагнетизма. Это позволяет контролировать амплитуду и фазу магнитного рассеяния относительно опорной волны, возникающей в результате резонансного рассеяния синхротронного излучения.

В статье представлены три типа экспериментов. В первом обнаружен сдвиг резонансного пика по энергии при повороте магнитных моментов внешним полем на 180 градусов, что является результатом конструктивной (деструктивной) интерференции при энергии ниже (выше) края поглощения (рис. 3). Противоположный сдвиг наблюдается, когда фаза резонансного рассеяния меняется в результате вращении образца. Направление сдвига зависит от фазы магнитного рассеяния. Во втором типе экспериментов измеряется интенсивность отражения в зависимости от угла вращения образца вокруг нормали при энергиях выше или ниже края поглощения. В третьем наблюдалась азимутальная зависимость интенсивности дифракционного пика при фиксированной энергии фотонов и двух противоположных направлениях внешнего магнитного поля.

Рис. 3. Сдвиг резонансного квадрупольного пика по энергии при повороте магнитных моментов внешним полем на 180 градусов. Внизу: связь «твиста» магнитных моментов атомов железа с «твистом» треугольников, образованных атомами кислорода в слоях, лежащих между плоскостями, в которых находятся атомы железа (V. E. Dmitrienko, et al., Nature Physics 10 (3), 202–206 (2014)).

Из анализа экспериментальных данных было установлено, что направления «твиста» магнитных моментов и «твиста», обусловленного смещением атомов кислорода в слоях, совпадают (рис. 3). Экспериментальные результаты подтверждаются расчетами ab initio, позволяющими вычислять знак взаимодействия ДМ и фазу магнитного рассеяния рентгеновского излучения. Таким образом, предлагаемые экспериментальный и теоретический методы дают новые возможности для изучения и предсказания магнитоэлектрического эффекта в мультиферроиках.

Использованная литература:

A. Rogalev, F. Wilhelm, N. Jaouen, J. Goulon, J. -P. Kappler.» X-ray Magnetic Circular Dichroism: Historical Perspective and Recent Highlights», in «Magnetism: A Synchrotron Radiation Approach». Springer, 2006, p. 71-94

Проф. кафедры физики твердого тела Е. Н. Овчинникова