Ultrafast X-ray sonography reveals the spatial heterogeneity of the laser-induced magneto-structural phase transition in FeRh

La materia spesso esiste in diversi stati, come l'acqua sotto forma di ghiaccio, liquido o vapore. Quando un materiale passa da uno stato all'altro, raramente si tratta di un cambiamento semplice e uniforme che avviene ovunque contemporaneamente. Invece, la trasformazione solitamente inizia in piccole sacche sparse che crescono e si fondono, creando un complesso panorama a mosaico di vecchie e nuove fasi. Comprendere esattamente come queste sacche si formano e dove appaiono è fondamentale per progettare dispositivi elettronici più veloci ed efficienti, ma osservare questo processo mentre si svolge è stato come cercare di vedere i singoli fili di un arazzo stando troppo lontani. Gli scienziati sono da tempo in grado di tracciare la tempistica di questi cambiamenti con una velocità incredibile, misurando eventi che avvengono in un millionesimo di miliardesimo di secondo (un trilionesimo di secondo), ma hanno faticato a vedere i dettagli spaziali di dove la nuova fase inizi e di come si propaghi attraverso il materiale.

Un team di ricercatori ha ora sviluppato un modo per vedere questo paesaggio nascosto con una chiarezza senza precedenti, utilizzando una tecnica che chiamano sonografia a raggi X ultrafast. Combinando scatti a raggi X ad alta velocità con onde sonore che viaggiano attraverso un materiale, hanno mappato esattamente come una specifica lega metallica, nota come FeRh, cambia la sua natura magnetica. Hanno scoperto che quando questo materiale viene colpito da un impulso laser, il nuovo stato magnetico non appare come uno strato piatto che si diffonde uniformemente sulla superficie, né inizia in profondità all'interno del materiale. Invece, nuclea sulla superficie superiore, crescendo verso il basso nel materiale sotto forma di migliaia di minuscole, strette colonne, larghe circa 30 nanometri ciascuna. Questa scoperta risolve un enigma di lunga data nella comunità scientifica, dove diversi esperimenti avevano suggerito immagini contrastanti di come avvenisse la transizione, e fornisce un nuovo, potente strumento per osservare come i materiali cambino la loro struttura in un battito di ciglia.

Il materiale al centro di questo studio è una lega di ferro e rodio che si trova in un delicato equilibrio. A temperatura ambiente è antiferromagnetica, il che significa che i suoi spin interni sono disposti in un modello che si annulla a vicenda, lasciando il materiale senza una forza magnetica complessiva. Quando viene riscaldato, o in questo caso, quando viene colpito da un impulso laser, subisce un cambiamento drammatico per diventare ferromagnetica, dove gli spin si allineano nella stessa direzione, trasformando il materiale in un magnete. Questo passaggio è accompagnato da un'espansione fisica della struttura cristallina del materiale, un cambiamento che i ricercatori hanno utilizzato come chiave per sbloccare il mistero di come avviene la transizione. Sebbene esperimenti precedenti potessero dirgli quanto materiale fosse cambiato nel tempo, non potevano dire loro dove stesse avvenendo il cambiamento o quale forma assumessero le nuove regioni magnetiche.

Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno usato un trucco ingegnoso che coinvolge il suono. Quando l'impulso laser colpisce il materiale, non solo innesca il cambiamento magnetico, ma lancia anche un impulso di suono, o un'onda di deformazione (strain wave), che viaggia attraverso il materiale come un incresparsi in uno stagno. Questa onda sonora comprime e allunga temporaneamente il materiale mentre si muove. Poiché la nuova fase magnetica espande la struttura del materiale, essa reagisce a questa onda sonora diversamente rispetto alla vecchia fase. Sfondando impulsi di raggi X ultrafast sul materiale in momenti precisi dopo l'impatto del laser, il team ha potuto osservare come i modelli di raggi X si spostassero in risposta al passaggio dell'onda sonora. Questi spostamenti hanno agito come un segnale sonar, rivelando la profondità e la forma delle nuove regioni magnetiche al passaggio dell'onda sonora.

I risultati hanno delineato un quadro molto specifico della trasformazione. I dati hanno escluso l'idea che la nuova fase magnetica si fosse formata come uno strato piatto che si diffondeva su tutta la superficie, o che fosse iniziata in profondità nel materiale per poi muoversi verso l'esterno. Invece, la sonografia a raggi X ha mostrato che la nuova fase appariva come distinte colonne verticali partendo dalla superficie. Queste colonne sono incredibilmente strette, con un diametro di circa 30 nanometri, che è approssimativamente la dimensione dei minuscoli grani cristallini che compongono il film metallico stesso. Man mano che l'impulso laser continua a guidare il processo, queste colonne crescono più in profondità nel materiale, fino a fondersi per formare uno strato magnetico continuo. I ricercatori hanno scoperto che questa crescita colonnare avviene molto rapidamente, con la formazione iniziale che avviene in soli 8 picosecondi, una scala temporale che è una frazione di un miliardesimo di miliardesimo di secondo.

Questa scoperta è significativa perché spiega il motivo per cui esperimenti precedenti avevano prodotto risultati così diversi. Alcune misurazioni, che facevano la media delle proprietà dell'intero campione, suggerivano un cambiamento uniforme, mentre altre accennavano a un comportamento più complesso. La nuova tecnica ha dimostrato che la verità risiede nella disposizione spaziale: il materiale sta cambiando in modo altamente eterogeneo, con la nuova fase che esiste in queste colonne strette e isolate prima che si connettano. I ricercatori hanno confermato questo schema testando diverse intensità dell'impulso laser. Quando l'impulso era abbastanza forte da superare la barriera energetica per la transizione su tutta la superficie, le colonne si formavano e si fondevano rapidamente. Quando l'impulso era più debole, il cambiamento rimaneva discontinuo, avvenendo solo nei punti in cui il materiale era più facile da trasformare, confermando ulteriormente che il processo è guidato dalla struttura locale del materiale.

La capacità di vedere questi dettagli apre una nuova finestra sul comportamento dei materiali che cambiano le loro proprietà rapidamente. La tecnica utilizzata qui, la sonografia a raggi X ultrafast, non è limitata a questa specifica lega metallica. Poiché si basa sul modo fondamentale in cui le onde sonore interagiscono con diverse fasi strutturali, può essere applicata a una vasta gamma di materiali che subiscono cambiamenti simili. Questo metodo permette agli scienziati di osservare la nascita di nuove fasi in tempo reale, distinguendo tra diversi tipi di crescita e identificando le dimensioni precise delle regioni in mutamento senza la necessità di preparare il campione in alcun modo speciale. Rivelando la geometria nascosta di queste transizioni, il lavoro fornisce una base più chiara per comprendere come i materiali si comportano sotto condizioni estreme, il che è essenziale per lo sviluppo della prossima generazione di tecnologie per l'informatica ad alta velocità e la memorizzazione dei dati.