Strukturirana svetloba kot orodje za tvorbo in analizo novih stanj snovi

Pregled projekta in informacije o financiranju

Ta projekt se osredotoča na interakcijo med strukturirano svetlobo in snovjo, s posebnim poudarkom na prenosu orbitalnega vztrajnostnega momenta (OAM) iz fotonov na atomske in magnetne sisteme. Pri interakciji s snovjo lahko fotoni prenašajo ne le energijo in linearni vztrajnostni moment, ampak tudi spin in orbitalni vztrajnostni moment, kar omogoča nove poti za nadzorovanje elektronskih in magnetnih lastnosti na nano ravni.

Projekt je bil financiran v okviru nacionalnega razpisa za raziskave (projekt ARRS J1-3012) in temelji na prejšnjih razvojnih dosežkih na področju ustvarjanja svetlobnih žarkov, ki prenašajo OAM, v vidnem in XUV spektralnem območju. Sedanje delo te koncepte razširja na ultrahitre in elementno selektivne režime z uporabo virov visokofrekvenčne harmonične generacije (HHG) in laserjev s prostimi elektroni (FEL).

Splošni cilj je bil preiti od dokazovanja načela k razvoju novih eksperimentalnih metod za ultrahiter magnetizem, ustvarjanje magnetnega polja na nanoskalni ravni in topološko slikanje na podlagi prenosa OAM.

Projektna skupina

Projekt je izvedla interdisciplinarna skupina strokovnjakov s področij ultrahitre optike, atomske in molekulske fizike, magnetizma in XUV spektroskopije.

• Univerza v Novi Gorici (UNG) – eksperimentalne dejavnosti, XUV viri na osnovi HHG, ultrahiter magnetizem
• Inštitut Jožef Stefan (JSI) – atomska fizika in fizika kondenzirane snovi, eksperimentalna podpora
• Univerza v Halleju – teoretično modeliranje in kvantna dinamika
• CEA Pariz in Univerza v Cergy-Pontoise – strukturirana svetloba in generiranje OAM žarkov
• Elettra Sincrotrone Trieste (FERMI FEL) – XUV in EUV eksperimenti na virih FEL

Podrobne informacije o članih projekta in njihovih afiliiranjih so na voljo v sistemu SICRIS: https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl

Znanstveni cilji in delovni program

Projekt je bil zasnovan na treh glavnih znanstvenih ciljih (SG):

SG1 – Ustvarjanje stabilnih nanoskalnih magnetnih poljskih impulzov

SG2 – OAM difrakcija za topološko rekonstrukcijo in magnetni helikoidni dicroizem

SG3 – Temeljni zakoni, ki urejajo prenos OAM na atome

Faze projekta in njihova izvedba

Faza 1: Ultrahitra generacija magnetnega polja (SG1)

Razvit je bil nov laserski sistem za ustvarjanje lokaliziranih, stabilnih magnetnih polj v nanometrskem obsegu z nastavljivo trajanostjo od femtosekund do nanosekund. S kombinacijo XUV vzbujanja in infrardečih vrtinčnih impulzov so bili v helijevih atomih indukcirajo krožeči elektronski valovni paketi, kar je povzročilo nastanek nanoskalnih tokovnih zank in feromagnetno poravnanih magnetnih momentov.

Pristop je bil potrjen s kombinacijo eksperimentalnih meritev fotoemisije in simulacij Schrödingerjeve enačbe, odvisne od časa, ki so pokazale odlično kvantitativno ujemanje. Inducirana magnetizacija traja dlje kot trajanje laserskega impulza, kar dokazuje izvedljivost ustvarjanja stabilnega ultrahitrega magnetnega polja brez zunanjih magnetnih polj.

Faza 2: OAM-osnovano difrakcijsko slikanje in magnetni helikoidni dicroizem (SG2)

Ta faza je prinesla dva pomembna eksperimentalna preboja.

Prvič, OAM-osnovana ekstremna ultravijolična ptychografija je bila prikazana z uporabo spiralnih cončnih plošč, s čimer je bila dosežena ~30-odstotna izboljšava prostorske ločljivosti v primerjavi s konvencionalno Gaussovo osvetlitvijo. To omogoča slikanje z ločljivostjo pod 100 nm in časovno ločljivostjo na večjih površinah vzorcev.

Drugič, časovno ločljiv magnetni helikoidni dicroizem (MHD) je bil eksperimentalno opazovan v resonančnih eksperimentih EUV razprševanja. Ultrahitro lasersko vzbujanje je povzročilo prehodne preureditve magnetnih vrtinčnih struktur, vključno z oblikovanjem metastabilnih površinskih spin tekstur z obratno kiralnostjo. Ti rezultati dokazujejo optično pripravo kompleksnih spin stanj brez zunanjih magnetnih polj, kar je pomembno za ultrahitro spintroniko in shranjevanje podatkov.

Faza 3: Temeljne študije prenosa OAM na atome (SG3)

Tretja faza je obravnavala temeljno možnost OAM-pogojenih atomskih prehodov, ki so prepovedani v okviru konvencionalnih dipolnih in multipolnih izbirnih pravil. Ciljni prehod je bil vzbujanje helija iz osnovnega stanja 1s² v metastabilno stanje 1s2s z uporabo zvite XUV svetlobe.

Da bi omogočili ta poskus, je bila v sodelovanju z IFN Milan razvita visokotlačna odprta steklena mikrocela. Mikrocela omogoča nadzorovane gostote plina do 120 mbar in je bila validirana z interferometrično kalibracijo in sinhronsko spektroskopijo. Prvotne meritve so razkrile nove učinke visoke gostote, vključno z modificiranimi Fano resonancami in molekularno podobnimi spektralnimi lastnostmi.

Nadaljnji razvoj je vključeval integracijo mikroelektrod, izdelanih s tehnologijo FLICE, da se omogoči in situ detekcija metastabilnih atomov. Medtem ko končna demonstracija OAM-induciranih monopolarnih prehodov še poteka, so bile uspešno vzpostavljene potrebne eksperimentalne infrastrukture in zmogljivosti detekcije.

Znanstveni rezultati in vpliv

Projekt je znatno prispeval k razumevanju strukturirane interakcije med svetlobo in snovjo, ultrahitre dinamike magnetizacije in slikanja v nanometrskem merilu. Dva od treh glavnih ciljev sta bila v celoti dosežena, kar je privedlo do novih eksperimentalnih metodologij s široko uporabnostjo v atomski fiziki, magnetizmu in ultrahitri spektroskopiji. Delna izvedba SG3 predstavlja trdno podlago za prihodnje raziskave prenosa kotnega momenta na atomski ravni.

Objave, ki so nastale v okviru projekta:

• J. Wätzel et al., Phys. Rev. Lett. 128, 157205 (2022).
• M. Pancaldi et al., Single-shot Ptychography with Extreme Ultraviolet OAM Beams, Optica 11, 3 (2024).
• M. Fanciulli et al., Time-Resolved Magnetic Helicoidal Dichroism with EUV OAM Beams, Phys. Rev. Lett., in press.

Projekt financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije.