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

Materie komt vaak voor in verschillende toestanden, zoals water als ijs, vloeistof of stoom. Wanneer een materiaal van de ene naar de andere toestand overgaat, is dat zelden een eenvoudige, uniforme verandering die overal tegelijkertijd plaatsvindt. In plaats daarvan begint de transformatie meestal in kleine, verspreide zakken die groeien en samensmelten, waardoor een complex, lappendekenachtig landschap van oude en nieuwe fasen ontstaat. Het begrijpen van hoe deze zakken precies vormen en waar ze verschijnen, is cruciaal voor het ontwerpen van snellere, efficiëntere elektronische apparaten, maar het proces in realtime volgen was alsof men probeerde de individuele draden van een wandtapijt te zien terwijl men er te ver vanaf stond. Wetenschappers zijn al lang in staat om de timing van deze veranderingen met ongelooflijke snelheid te volgen, waarbij gebeurtenissen worden gemeten die plaatsvinden in een biljoenste van een seconde, maar zij worstelden met het zien van de ruimtelijke details van waar de nieuwe fase begint en hoe deze zich door het materiaal verspreidt.

Een team onderzoekers heeft nu een manier ontwikkeld om dit verborgen landschap met ongekende helderheid te zien, met behulp van een techniek die zij ultrafast röntgen-sonografie noemen. Door hoogwaardige röntgensnapshots te combineren met geluidsgolven die door een materiaal reizen, hebben zij exact in kaart gebracht hoe een specifieke metaallegering, bekend als FeRh, van magnetische aard verandert. Zij ontdekten dat wanneer dit materiaal wordt geraakt door een laserpuls, de nieuwe magnetische toestand niet verschijnt als een platte laag die zich gelijkmatig over het oppervlak verspreidt, noch begint het diep in het materiaal. In plaats daarvan nucleeert het aan het uiterste oppervlak, groeiend naar beneden in het materiaal als duizenden kleine, smalle kolommen, elk ongeveer 30 nanometer breed. Deze bevinding lost een langlopend raadsel op binnen de wetenschappelijke gemeenschap, waarbij verschillende experimenten tegenstrijdige beelden hadden gesuggereerd over hoe de overgang plaatsvond, en het biedt een nieuwe, krachtige tool om te kijken hoe materialen hun structuur veranderen in de oogwenk van een knipperend oog.

Het materiaal dat centraal staat in dit onderzoek is een legering van ijzer en rhodium die zich in een delicaat evenwicht bevindt. Bij kamertemperatuur is het antiferromagnetisch, wat betekent dat de interne magnetische spins zijn gerangschikt in een patroon dat zichzelf opheft, waardoor het materiaal geen algehele magnetische aantrekkingskracht heeft. Wanneer het wordt verhit, of in dit geval, wanneer het wordt geraakt door een laserpuls, ondergaat het een dramatische verschuiving om ferromagnetisch te worden, waarbij de spins in dezelfde richting worden uitgelijnd, waardoor het materiaal een magneet wordt. Deze overgang gaat gepaard met een fysieke expansie van de kristalstructuur van het materiaal, een verandering die de onderzoekers als een sleutel gebruikten om het mysterie van hoe de overgang plaatsvindt te ontrafelen. Hoewel eerdere experimenten hen konden vertellen hoeveel van het materiaal in de loop van de tijd was veranderd, konden zij hen niet vertellen waar de verandering plaatsvond of welke vorm de nieuwe magnetische regio's aannamen.

Om dit op te lossen, gebruikten de onderzoekers een slim trucje met behulp van geluid. Wanneer de laserpuls het materiaal raakt, triggert deze niet alleen de magnetische verandering, maar lanceert het ook een puls van geluid, of een een spanningsgolf, die door het materiaal reist als een rimpeling in een vijver. Deze geluidsgolf drukt en rekt het materiaal tijdelijk samen en uit terwijl het beweegt. Omdat de nieuwe magnetische fase de structuur van het materiaal doet expanderen, reageert deze anders op deze geluidsgolf dan de oude fase. Door ultrasnelle röntgenstralen op precieze momenten na de laserinslag op het materiaal af te vuren, kon het team zien hoe de röntgenpatronen verschoven in reactie op de passerende geluidsgolf. Deze verschuivingen fungeerden als een sonar-ping, die de diepte en vorm van de nieuwe magnetische regio's onthulde terwijl de geluidsgolf erdoorheen trok.

De resultaten schetsen een zeer specifiek beeld van de transformatie. De gegevens weerlegden het idee dat de nieuwe magnetische fase zich vormde als een platte laag die zich over het gehele oppervlak verspreidde, of dat het diep in het materiaal begon en naar buiten bewoog. In plaats daarvan toonde de röntgen-sonografie aan dat de nieuwe fase verscheen als afzonderlijke, verticale kolommen beginnend aan het oppervlak. Deze kolommen zijn ongelooflijk smal, met een diameter van ongeveer 30 nanometer, wat ongeveer de grootte is van de minuscule kristalgrenzen die het metaalfilmen zelf opbouwen. Terwijl de laserpuls het proces voortstuwt, groeien deze kolommen dieper in het materiaal, om uiteindelijk te versmelten tot een continue magnetische laag. De onderzoekers ontdekten dat deze kolomvormige groei zeer snel gebeurt, waarbij de initiële vorming plaatsvindt in slechts 8 picoseconden, een tijdschaal die een fractie van een miljardste van een seconde is.

Deze ontdekking is significant omdat het verklaart waarom eerdere experimenten dergelijke verschillende resultaten hadden opgeleverd. Sommige metingen, die de eigenschappen van het gehele monster gemiddelden, suggereerden een uniforme verandering, terwijl andere hintten op een complexer gedrag. De nieuwe techniek toonde aan dat de waarheid in de ruimtelijke ordening ligt: het materiaal verandert op een zeer heterogene manier, waarbij de nieuwe fase in deze smalle, geïsoleerde kolommen bestaat voordat ze met elkaar verbinden. De onderzoekers bevestigden dit patroon door verschillende sterktes van de laserpuls te testen. Wanneer de puls sterk genoeg was om de energiebarrière voor de overgang over het hele oppervlak te overwinnen, vormden de kolommen zich en versmolten ze snel. Wanneer de puls zwakker was, bleef de verandering onregelmatig, optredend alleen op de plekken waar het materiaal het gemakkelijkst te transformeren was, wat verder bevestigde dat het proces wordt gedreven door de lokale structuur van het materiaal.

Het vermogen om deze details te zien, opent een nieuw venster naar het gedrag van materialen die hun eigenschappen snel veranderen. De techniek die hier gebruikt wordt, ultrafast röntgen-sonografie, is niet beperkt tot deze specifieke metaallegering. Omdat het berust op de fundamentele manier waarop geluidsgolven met verschillende structurele fasen interageren, kan het worden toegepast op een breed scala aan materialen die soortgelijke veranderingen ondergaan. Deze methode stelt wetenschappers in staat om de geboorte van nieuwe fasen in realtime te observeren, waarbij zij onderscheid maken tussen verschillende soorten groei en de precieze dimensies van de veranderende regio's identificeren zonder dat het monster op een speciale manier voorbereid hoeft te worden. Door de verborgen geometrie van deze transities te onthullen, biedt het werk een helderder fundament voor het begrijpen van hoe materialen zich gedragen onder extreme omstandigheden, wat essentieel is voor de ontwikkeling van de volgende generatie high-speed computing en dataopslagtechnologieën.