近日，上海科技大学物质学院张石磊教授团队在多铁材料自旋动力学研究中取得重要成果：通过最新开发的同步辐射软X射线散射实验精确重构出六角铁氧体（hexaferrite）材料铁磁共振的全部过程，首次在世界上开发出软X射线“双共振散射”的实验手段。这一全新的表征方法为凝聚态磁学以及拓扑磁学的发展开辟了新的途径。该研究成果以“Mode-Resolved Detection of Magnetization Dynamics Using X-ray Diffractive Ferromagnetic Resonance”为题发表在学术期刊《Nano Letters》。
“双共振散射”实验的测量过程，即同一束入射软X射线即引发磁性原子的能级共振跃迁，又诱发磁振子体系的集体铁磁共振。通过图示的系统完成测量
用超快软X射线表征铁磁共振过程的示意图。图中的磁性体系为六角铁氧体的螺旋磁构型。入射光束为偏振的X光，每一束宽度为35ps
共振现象是关联体系的基本性质。在磁性材料中，由于磁矩之间的微观相互作用，产生了磁振子体系。磁振子的结构在动量空间由独特的色散关系勾勒（能量－动量），而当外界激发能量（电磁波）匹配在能隙能量时，会引发跃迁现象：磁共振。因此，铁磁共振（FMR）是研究关联磁性体系的重要实验手段。但是，FMR在实验上只测量到频域的信息。换句话说，FMR仅仅观测到了在某一频率下的吸收现象，而集体共振时磁振子的具体动力学过程（自旋排列和磁结构随着时间的周期性演化）目前从未在实验上观测到。其主要原因是当前缺乏一种既对磁结构敏感，又有超快时间分辨的手段。
为了解决这一问题，张石磊团队利用同步辐射软X射线的多维度参量（能量、动量、偏振、时间分辨），开发了“双共振散射”实验。这一手段核心的原理在于同步辐射的X光并非连续入射，而是以接近500 MHz的频率一束一束发射。每一束光的时间宽度为35ps。换句话说，对于大多数同步辐射实验，如果体系的动力学与500 MHz无关，则这一属性与连续光无异。然而，对于关联磁性体系，500 MHz的倍频（1 GHz-6 GHz）刚好在铁磁共振的频率范围。在实验上，研究团队设计了独特的与光源匹配的共振弹性X光散射（REXS）环境，使得驱动X光的微波在引发样品铁磁共振的同时，同步的X光用REXS的方式去探测某一个“冻结”时刻的磁结构。通过一系列频闪观测的方法首次重构出了整个铁磁共振的全部过程。实验的空间分辨率为原子级别，可对磁矩的三个分量独立分辨，时间分辨率为35ps。通过对共振过程的精确表征，磁振子在量子层面的物理机制亦可完全被揭示。值得一提的是，该工作基于英国钻石光源，光束宽度仅为35ps。而在上海光源的光束宽度可以达到15ps，且光通量更大。将更高质量的双共振散射在上海光源S2光束线实现是课题组下一步的目标。
上海科技大学是该工作的主要完成方，张石磊教授为通讯作者。该工作与英国钻石光源、中科院物理所磁学国家重点实验室、重庆大学和牛津大学共同合作完成。该研究得到了上科大科研启动基金和上海科技大学拓扑物理实验室的大力支持。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.9b03989