作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 从人造自旋冰散射的x光光子获得轨道角动量，人造自旋冰是一种纳米磁体的图案阵列
x光束可以随温度和磁场而开关
插图:实验x光衍射图
信用:伍兹等人
人工自旋冰是一种磁性超材料，其奇异的性质取决于它们的几何形状
在过去的几年里，许多物理学家研究了这些材料，因为它们独特的性质可能有利于许多应用
肯塔基大学、阿尔贡国家实验室、劳伦斯·伯克利国家实验室和美国其他研究所的研究人员
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我们最近引入了一种方法，以实现可转换的x光轨道角动量(阿西磁系统)
他们的方法发表在《物理评论快报》上，可以为研究磁性系统、铁电体、手性系统和纳米结构的新研究铺平道路
“我对光子携带轨道角动量这个话题非常感兴趣，”进行这项研究的研究人员之一苏乔伊·罗伊告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“在可见光领域，这方面的工作很多，但在x光方面，报道很少
因此，我们开始研究它，我们是第一个成功产生携带软x光束的原子吸收模块的人
" 在之前发表在《自然光子学》上的一篇论文中，罗伊和他的同事们表明，他们可以通过制造一个带有叉状位错的特殊光栅，成功地产生携带OAM的软x光光束
随后，当他们在研究2D正方形阵列天线时，他们开始研究在材料的正方形晶格有叉状缺陷的情况下，OAM光束的产生
“这特别有趣，因为我们的晶格是磁性的；因此，它在有序温度以下反铁磁排列，”罗伊说
“现在的问题是，如果我们引入一个叉子，反铁磁体会怎么样？样品是否仍然进入反铁磁状态？经过小组内部的一系列讨论和集思广益，我们得出结论，通过插入双位错，样品仍然能够进入反铁磁状态
" 纳米磁体是纳米磁体的阵列，具有与水冰相同的特性
ASIs经常会“受挫”，这实质上意味着包含在其中的磁体不能以最小化相互作用中所涉及的能量的方式与它们的邻居对齐
正如莱纳斯·鲍林在1935年观察到的那样，水冰中的氢原子通常以类似的方式排列
大约十年前，物理学家表明，宾夕法尼亚州立大学的一个研究小组首先研究的正方形ASIs实际上并没有“沮丧”，而是进入了一个有序的反铁磁基态
默勒和莫斯纳在2006年首次预测到了这一点，克里斯托弗·马罗斯和他在利兹大学的同事在2011年进行了实验性的证明
当它们处于反铁磁基态时，晶格中的磁体以这样一种方式取向，即它们相互抵消，因此没有ASI的净磁化
“我们与肯塔基大学的兰斯·德龙教授合作，在人工自旋冰领域已经工作了一段时间，”托德·黑斯廷斯，另一位参与最近研究的研究员，告诉《物理》杂志
（同organic）有机
由马里兰大学的约翰·库明斯领导的另一个研究小组表明，在正方形的ASI中引入叉型位错(拓扑电荷1)会重新引入挫折感，并阻止单个反铁磁基态的形成
我们的团队认识到，引入双叉位错(拓扑电荷2)有可能使反铁磁基态得以重整
" 在罗伊、黑斯廷斯和他们的同事研究的ASI中，拓扑电荷(I
e
叉形缺陷的数量)是2，而反铁磁体的数量是1，导致单个系统中两个不同的拓扑电荷
除了探索挫折的引入和消除如何改变方形ASI系统中单个缺陷的电荷，研究人员还观察了x光如何从这些结构中散射出来
黑斯廷斯解释说:“一段时间以来，我们一直在思考如何用声光调制器产生可开关的x光光束。”
“携带光的OAM可以使小物体绕光束中心运行，并使量子密码、光镊和电信等多种应用成为可能
虽然x光光学显微镜不太常见，但它可以通过带有叉状缺陷的结构的衍射产生
因此，我们假设从带有分叉缺陷的正方形阵列散射的x光也将携带OAM
" 苏黎世联邦理工学院的劳拉·海德曼和保罗·舍勒研究所领导的一个研究小组表明，通过将外部磁场应用于方形天线，它们可以被置于铁磁状态，其中所有的纳米磁体都指向同一个方向
受先前工作的启发，罗伊和黑斯廷斯假设外加磁场也可以关闭磁性散射的原子吸收光束，当系统回到基态时，这些光束会重新打开
黑斯廷斯说:“有了这个，整个系统就可以产生具有不同轨道角动量的x光束，在这个系统中，磁散射束可以被打开和关闭。”
x光对材料的密度很敏感，但对磁矩不太敏感
为了获得对磁信号敏感的x光，研究人员采用了一种叫做共振x光磁散射(RXMS)的技术，用相干光束(I
e
一个具有明确定义的振幅和相位)
这项技术通过将入射光束的能量调整到元素的吸收边缘，使它们获得更高的磁灵敏度
图像2: (a)带有双位错的坡莫合金方形人造自旋冰的扫描电子显微照片(电荷拓扑缺陷2)
(b) XMCD-PEEM显微照片揭示了反铁磁基态序
明亮的区域沿着x光束被磁化，而黑暗的区域沿着x光束的相反方向被磁化
蓝色的盒子描绘出一个汉堡圈
信用:伍兹等人
罗伊解释说:“在我们的例子中，我们调谐到铁的L3边缘，该边缘为707电子伏(作为参考，铜钾α辐射为8千电子伏)，然后我们使用相干x光束衍射。”
“由于光束的相干性，衍射光束的相位起着相干作用，因此整个出射光束获得了螺旋相位波前，从而产生了光学振幅调制
" 当研究人员使用RXMS技术进行衍射实验时，他们可以在满足布拉格条件的特定角度观察到强峰值，在那里散射的X射线建设性地干涉
由于反铁磁材料的晶格间距是结构晶格的两倍，反铁磁峰通常出现在不同的位置
这种位置上的差异有助于研究人员区分电荷和磁性衍射峰
罗伊说:“当我们衍射分叉的2D阵列时，我们在结构布拉格峰和磁性布拉格峰都获得了振幅调制光束。”
“然而，由于两种不同的拓扑电荷，我们在结构和磁性布拉格峰中看到不同的氧原子含量
此外，由于我们可以用外加场来控制人造自旋冰，这意味着我们可以控制光束的振幅调制含量
" 罗伊、黑斯廷斯和他们的同事使用的纳米磁体是由镍铁合金制成的
为了创建他们研究的系统，研究人员使用一种叫做电子束光刻的技术，在硅片上的聚合物上写下一个图案
黑斯廷斯说:“我们的样品随后被涂上坡莫合金，方法是在真空中蒸发材料(电子束蒸发)，让它沉积在图案上。”
“随后，我们移除了位于未构图区域顶部的聚合物和坡莫合金(所谓的剥离工艺)
每个纳米磁体长470纳米，宽170纳米，只有3纳米厚
人的头发直径约为100，000纳米，所以如果你把这些磁铁放在一起，大约有1，500万个磁铁可以放在人的头发末端
" 当x光束以适当的角度衍射时，当光束被调谐到铁的磁性L3边缘时，研究人员发现他们研究的ASI系统进入了反铁磁基态
他们后来通过使用一种被称为x光磁圆二色性光电发射电子显微镜(XMCD-PEEM)的技术，直接对系统中纳米磁体的磁化成像，证实了这种状态的存在
利用这种技术，他们用x光照射原子吸收光谱仪，并在电子显微镜中捕捉纳米磁体发出的电子
黑斯廷斯说:“在x光散射实验中，我们将样品加热到大约100℃，以表明当ASI从反铁磁态转换到顺磁性态时，磁散射光束可以随着温度而关闭。”
“有趣的是，坡莫合金本身直到600℃左右才变成顺磁性的，所以当坡莫合金保持铁磁性时，ASI模仿的是顺磁性
" 研究人员还在他们检测的ASI上施加磁场，使其所有磁铁朝向同一方向
纳米磁体不是在外部磁场中旋转，而是在内部改变磁化方向
研究人员发现，一旦硅原子不再处于反铁磁基态，磁散射的x光原子束就消失了
罗伊说:“到目前为止，在x光系统中产生原子吸收光束是一项非同小可的任务。”
“现在我们可以产生这些光束，也有办法控制它们，这就打开了新的可能性
例如，这些光束可以用来研究磁性系统中的拓扑自旋结构、铁电体中的极性涡旋、手性系统和纳米结构
" 由罗伊、黑斯廷斯和他们的同事设计的从原子吸收光谱中产生可转换的x光的方法可能有许多有趣的应用
除了为检验各种材料的新研究提供信息，它还可以为x光在量子信息科学中的应用开辟新的可能性
此外，利用这个研究小组采用的方法，物理学家可以识别其他可以用来产生特制x光束的材料
黑斯廷斯说:“能够产生可控的x光原子吸收光谱为研究其他材料提供了一个令人兴奋的新工具。”
“我们的研究也为人工自旋冰在存在所谓拓扑缺陷的情况下的行为提供了一些见解
也就是说，现在我们知道无缺陷平方α不受阻且反铁磁有序，拓扑电荷为1的缺陷引入受阻，拓扑电荷为2的缺陷消除了受阻
" 罗伊、黑斯廷斯和他们的合作者现在正试图确定他们实验中产生的光束是否对其他材料的特定特征敏感
如果是这样的话，他们的发现可以为探索不同物质系统的研究创造新的途径和视野
黑斯廷斯说:“除了应用X射线OAM光束研究其他材料之外，我们还在研究能够产生不同OAM光束的更复杂的ASI，探索切换OAM的新方法，并试图更详细地了解拓扑缺陷如何影响ASI的行为。”
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