Werkzeug für chirale Materialien

Informationen über komplexe magnetische Strukturen sind entscheidend für das Verständnis und die Entwicklung spintronischer Materialien. Jetzt steht bei BESSY II ein neues Instrument namens ALICE II zur Verfügung. Es ermöglicht magnetische Röntgenstreuung im reziproken Raum mit Hilfe eines neuen groß­flächigen Detektors. Ein Team des HZB und der Technischen Universität München hat die Leistungs­fähigkeit von ALICE II demonstriert und helikale und konische magnetische Zustände in einem Einkristall mit Skyrmionen analysiert. Das neue Instrument steht nun auch Messgästen an BESSY II zur Verfügung.

ALICE II wurde von Florin Radu und der Konstruktionsabteilung am HZB in enger Zusammen­arbeit mit Christian Back von der Technischen Universität München und seiner technischen Unterstützung konzipiert und gebaut. „ALICE II verfügt über eine einzigartige Fähigkeit: Es ermöglicht magnetische Röntgen­streuung im reziproken Raum mit einem neuen großflächigen Detektor bis zu den höchsten erlaubten Reflexionswinkeln“, erklärt Radu. Um die Leistungs­fähigkeit des neuen Instruments zu demonstrieren, untersuchten die Wissenschaftler eine polierte Probe von Cu₂OSeO₃.

Cu₂OSeO₃ ist ein Mott-Isolator mit einer kubischen Kristallstruktur, die jedoch keine Inversions­symmetrie aufweist. Dadurch kommt es zu einer spiralförmigen magnetischen Ordnung: Die magnetischen Spins drehen sich im oder gegen den Uhrzeigersinn in Bezug auf die Ausbreitungs­richtung. Das magnetische Ion ist Kupfer, und die Chiralität der magnetischen Struktur kann durch äußere Reize nicht umgekehrt werden. Die hohe Proben­qualität ist dabei von entscheidender Bedeutung und wurde von Aisha Aqueel sichergestellt.

Mit zirkular polarisierter Röntgenstrahlung konnte die Gruppe helikale und konische magnetische Modulationen als Satelliten­reflexionen beobachten. „Mehr noch: Die Chiralitäts­information der zugrundeliegenden Spin-Texturen ist als dichroitische Intensität kodiert“, betont Radu. Dies zeigt einen neuen Weg, um chirale und polare magnetische Texturen zu untersuchen, und zwar mit höchster räumlicher Auflösung und auf sehr kurzen Zeitskalen, wie sie für Synchrotron-Röntgen­experimente typisch sind.

HZB / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  V. Ukleev et al.: Chiral surface spin textures in Cu₂OSeO₃ unveiled by soft x-ray scattering in specular reflection geometry, Sci. Technol. Adv. Mater. 23, 682 (2022); DOI: 10.1080/14686996.2022.2131466
• Spin and Topology in Quantum Materials (O. Rader), Helmholtz-Zentrum Berlin