Soft-x-ray free-electron laser pulses stabilize a competing order in helimagnet

La luce è spesso considerata uno strumento per vedere, un modo per illuminare gli angoli bui del mondo microscopico. Ma nel regno dei materiali quantistici, la luce può agire anche come uno scultore. Quando gli scienziati proiettano impulsi di luce intensa su certi cristalli, non si limitano a osservare gli atomi; possono spingere il materiale verso stati che non esistono in condizioni normali. Questo campo di studi esplora come l'energia, il magnetismo e la disposizione degli atomi siano profondamente legati. In alcuni materiali, queste forze sono così delicate che una piccola spinta può alterare l'equilibrio, causando il riarrangiamento dell'intera struttura. Comprendere come controllare questi cambiamenti è fondamentale per sviluppare nuove tecnologie, dai computer più veloci a sistemi energetici più efficienti. La domanda che i ricercatori si pongono da tempo è se un potente fascio di luce possa cambiare permanentemente l'ordine interno di un materiale, o se si limiti a graffiare la superficie prima che il materiale torni al suo stato originale.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato che un tipo specifico di luce intensa può effettivamente bloccare un materiale in un nuovo, stabile arrangiamento. Hanno lavorato con un cristallo chiamato arseniuro di cromo, una sostanza nota per la sua struttura magnetica a spirale, dove gli spin magnetici degli atomi si torcono come un tappo di bottiglia mentre ci si muove attraverso il cristallo. In condizioni normali, questa spirale segue un modello specifico. Tuttavia, quando i ricercatori hanno colpito il cristallo con un intenso fascio di raggi X molli proveniente da un laser a elettroni liberi, accadde qualcosa di inaspettato. Il laser non si è limitato a danneggiare la superficie o a disturbare brevemente gli atomi; ha stabilizzato un modello magnetico completamente nuovo che non era mai presente nel cristallo incontaminato. Questo nuovo modello appariva come un segnale distinto nelle loro misurazioni, situato proprio accanto al segnale originale della spirale, e rimaneva osservabile tramite lo scattering di raggi X da sincrotrone dopo l'irradiazione iniziale, sebbene sia dinamicamente sopprimibile su scale temporali ultrafast.

I ricercatori hanno utilizzato una potente macchina chiamata laser a elettroni liberi per sparare trilioni di fotoni X al cristallo in brevissimi impulsi. Questi impulsi erano sintonizzati per risuonare con gli atomi di cromo, il che significa che l'energia della luce corrispondeva alla frequenza naturale degli elettroni in quegli atomi. Dopo aver esposto il cristallo a circa dodicimila di questi impulsi, lo hanno esaminato utilizzando una fonte di raggi X diversa e meno intensa presso una struttura di sincrotrone. Hanno scoperto che, mentre il modello magnetico a spirale originale era ancora presente, era emerso un secondo, nuovo modello. Questo nuovo modello era diverso per spaziatura e intensità. Non era un caos casuale causato da danni; i ricercatori hanno confermato che la composizione chimica di base del cristallo era rimasta intatta, con gli atomi ancora disposti nel loro schema originale. Invece, l'intensa luce aveva alterato localmente l'ambiente vicino alla superficie, spostando l'equilibrio delle forze tra gli atomi quanto bastava per permettere a questo nuovo, ordine concorrente di prendere il sopravvento.

Questo nuovo stato era fragile e a breve durata in un senso specifico. Esisteva solo nei primi dieci nanometri della superficie del cristallo, una regione larga circa quanto poche decine di atomi. All'interno di questo sottile strato, il nuovo ordine magnetico si estendeva per una distanza di circa quattro nanometri, che è significativamente più breve del modello a spirale originale che si estendeva molto più in profondità nel materiale. Il nuovo ordine aveva anche un limite di temperatura differente. Mentre il modello a spirale originale sopravviveva fino a circa 268 Kelvin, il nuovo modello indotto dalla luce scompariva quando il cristallo veniva riscaldato a soli 230 Kelvin. Questa differenza di comportamento ha dimostrato che il nuovo modello era uno stato della materia distinto, non solo un pezzo rotto di quello originale. I ricercatori hanno anche osservato che il modo in cui il nuovo modello interagiva con la luce era diverso, mostrando una "impronta digitale" unica nell'energia degli elettroni, il che suggeriva che l'ambiente elettronico locale attorno agli atomi di cromo era stato sottilmente modificato dal laser.

Forse la scoperta più sorprendente è stata la velocità con cui questo nuovo stato poteva essere manipolato. I ricercatori hanno utilizzato un secondo impulso laser ottico per eccitare il cristallo e poi hanno osservato come il nuovo modello magnetico rispondesse. Hanno scoperto che l'impulso di luce poteva sopprimere il nuovo ordine quasi istantaneamente, e il modello si riprendeva in un tempo inferiore a un picosecondo, ovvero un millionesimo di millesimo di secondo (un trilionesimo di secondo). Questa rapida ripresa indica che il nuovo stato è un comportamento collettivo e organizzato degli atomi, piuttosto che un difetto strutturale permanente. Il fatto che il modello potesse essere spento e acceso così rapidamente suggerisce che l'ordine indotto dalla luce è uno stato dinamico che esiste in un delicato equilibrio con le forze naturali del materiale.

I risultati suggeriscono che gli intensi impulsi di raggi X possono agire come uno strumento preciso per selezionare e stabilizzare ordini concorrenti in materiali che altrimenti sarebbero troppo fragili per contenerli. Nel caso dell'arseniuro di cromo, il laser non ha distrutto il materiale; ha semplicemente dato una spinta all'ambiente locale per favorire una diversa configurazione magnetica. Questo apre un nuovo modo di pensare all'interazione luce-materia, dove la sonda stessa diventa un agente attivo nel dare forma alle proprietà del materiale. I ricercatori hanno dimostrato che, sintonizzando attentamente la luce, è possibile accedere a stati nascosti della materia che sono invisibili in condizioni normali. Questo lavoro fornisce una prova di concetto del fatto che gli impulsi di raggi X risonanti possono essere utilizzati per ingegnerizzare specifici paesaggi magnetici nei materiali quantistici, offrendo una potenziale via per controllare le proprietà elettroniche e magnetiche con la luce in modi che prima erano considerati impossibili.