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比以前快100万倍!实现更快地切换圆偏振同步辐射的螺旋度

2021-12-20 09:59     来源:科普中国     同步辐射X射线
在BESSY II存储环上,一个由加速器物理学家、波动器专家和实验人员组成的联合团队,已经展示了如何更快地切换圆偏振同步辐射的螺旋度,这比以前快了100万倍。研究使用了HZB开发的椭圆形双波荡器,并以所谓的双轨道模式操作储存环。这是BESSY II新开发的一种特殊操作模式,为快速切换提供了基础。光螺旋度的超快变化,对观察磁性材料中的过程特别有趣,长期以来一直被广大用户群体所期待。

 

在像BESSY II这样的同步辐射源中,电子束几乎以光速绕存储环运行。它们被周期性磁结构(波动体)强迫发射具有特殊性质的极亮光脉冲。椭圆波荡器也可以用来产生圆偏振光脉冲,这种脉冲表现出一种称为螺旋度的特征:偏振方向可以是顺时针,也可以是逆时针。材料中磁性结构对圆偏振光的反应不同:取决于X射线脉冲的螺旋度,它们或多或少会吸收这种辐射。

自20世纪80年代以来,这已被用于所谓的XMCD(X射线圆二色谱)实验,以研究磁性材料的静态和动态变化,或成像表面磁性纳米结构。特别是对于这样的成像技术,使用同步辐射源的用户群体长期以来,一直希望有可能快速切换光的螺旋度,这主要是因为这直接导致磁图像对比度,这使得磁数据存储设备中的比特是可见和可量化的。在BESSY II(APPLE II)典型椭圆波荡器中,光螺旋度是通过一米长的强永久磁铁排列机械位移来切换,这一过程有时需要几分钟。

然而,新方法是基于这样的波荡器与储存环中电子束特殊轨道相结合,由所谓的TRIB(横向共振岛桶)产生。BESSY II的加速器专家保罗·戈斯拉夫斯基博士对TRIBS进行了实验探索。卡斯滕·霍尔达克博士和约翰尼斯·巴赫特博士建议,虽然存储环中的电子路径通常会在一个轨道之后关闭,但在TRIBS模式下,电子在连续轨道上运行的轨道不同,因此可以从不同磁场配置发出X射线脉冲。

现在能够证明,其想法实际上是在BESSY II现有双波动器UE56-2的帮助下进行先导实验:当穿过这种双波动器专门准备的磁铁排列时,来自不同轨道Tribs模式的电子束发出波长相同但圆极化相反的X射线光子。因此,理论上,现在可以用右圆偏振光脉冲然后左圆偏振光脉冲以仅1微秒的间隔来研究来自磁性样品的XMCD信号。在中试实验中,检测到了磁性样品(坡莫合金中的镍)从旋转到旋转的XMCD信号,并且可以清楚地显示螺旋度的快速(MHz)变化。

有了为此量身定做的新波浪器,BESSY II就可以在TRIBS模式下提供具有超快螺旋度变化的特殊光束线,最终切换时间可能缩短到纳秒。研究人员很高兴双轨道/TRIBS的发展,现在可以在BESSY II进行新的实验,对于BESSY III来说,这也是一个有吸引力的选择,其研究结果现已发表在《通信物理》期刊上上。

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