Учёные создали лабораторный прибор для наблюдения за наноразмерными магнитными доменами в пикосекундном масштабе

Исследователи из Института Макса Борна разработали новый лабораторный прибор на основе мягкого рентгеновского излучения, способный отслеживать динамику магнитных доменов с нанометровым пространственным и пикосекундным временным разрешением. Работа, опубликованная в журнале Light: Science & Applications, открывает путь к рутинному изучению сверхбыстрых процессов в магнитных материалах без необходимости использования крупных ускорительных установок.

Схема экспериментальной установки. Автор: MBI: Dr. Daniel Schick

Магнитные домены — это крошечные области в материале с различной направленностью намагниченности. Их наноразмерная структура и её изменения во времени имеют ключевое значение для современных исследований в области магнетизма, однако до сих пор их наблюдение на сверхкоротких временных масштабах требовало доступа к большим установкам — лазерам на свободных электронах (XFEL).

Новая установка преодолевает это ограничение, сочетая лазерный плазменный источник мягкого рентгеновского излучения со специальным детектором, чувствительным к отдельным фотонам. Прибор работает с частотой 100 Гц и временным разрешением 9 пикосекунд, что позволяет улавливать крайне слабые сигналы рассеяния.

Для демонстрации возможностей учёные исследовали ферримагнитную многослойную структуру из железа и гадолиния (Fe/Gd), содержащую лабиринтные магнитные домены. Настраивая мягкое рентгеновское излучение на линии поглощения Fe (~700 эВ) и Gd (~1200 эВ), они смогли построить карты динамики намагниченности для каждого элемента и обнаружили сложную реорганизацию доменной структуры в пико- и наносекундном диапазоне.

«Наблюдение наноразмерной динамики с помощью мягкого рентгеновского излучения». Автор: MBI / Dr. Daniel Schick

«Этот прибор позволяет нам наблюдать магнитный порядок с уровнем детализации, который раньше требовал лазера на свободных электронах, — говорит один из первых авторов исследования Леонид Лунин. — Теперь мы можем делать это каждый день, прямо в лаборатории».

Гибкость и эффективность новой платформы открывает возможности для систематических исследований с варьированием магнитного поля, температуры и других параметров. В будущем повышение мощности источников и чувствительности детекторов может сделать рутинными многомерные сканирования и изучение сложных материалов.

Больше информации: Leonid Lunin et al, Laser-driven resonant soft-X-ray scattering for probing picosecond dynamics of nanometre-scale order, Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-02088-2