Рентгеновский магнитный дихроизм

Рентгеновский магнитный дихроизм (X-ray Magnetic Circular Dichroism, XMCD) — это эффект зависимости поглощения рентгеновских лучей от ориентации магнитного момента материала относительно поляризации излучения. В отличие от обычного поглощения, XMCD чувствителен к спиновым и орбитальным компонентам магнитного момента отдельных атомов, что делает его мощным инструментом для изучения магнитных свойств на атомарном уровне.

Эффект проявляется при использовании циркулярно поляризованного рентгеновского излучения, когда интенсивность поглощения зависит от направления поляризации по отношению к направлению намагниченности образца. Разность спектров поглощения для левого и правого циркулярного поляризованного излучения отражает магнитные характеристики материала.

Физическая природа XMCD

Ключевой механизм XMCD связан с переносом углового момента фотонов на электроны материала. Для рентгеновских переходов на K-, L- и M-краях выполняется взаимодействие:

  1. Электронные переходы: Основные переходы происходят между заполненными внутренними оболочками (например, 1s, 2p) и незаполненными уровнями d- или f-оболочек, которые определяют магнитные свойства.
  2. Избирательность по спину: Циркулярная поляризация рентгеновских фотонов взаимодействует с электронным спином, что приводит к разной вероятности переходов для электронов с противоположной ориентацией спина.
  3. Суммарный магнитный эффект: Разность интенсивностей поглощения по поляризациям прямо связана с проекцией магнитного момента на направление излучения.

Эта зависимость позволяет получать информацию о спиновых и орбитальных компонентах магнитного момента, а также о симметрии электронных состояний.

Экспериментальные методы измерения

Схема эксперимента XMCD включает следующие элементы:

  • Источник синхротронного излучения с возможностью получения циркулярно поляризованного рентгеновского света. Синхротронные источники обеспечивают высокую яркость и узкую полосовую ширину излучения.
  • Магнитное поле для намагничивания образца в определенном направлении. Поле может быть постоянным или пульсирующим.
  • Регистрация поглощения с помощью детекторов фототока, люминесценции или измерения вторичных электронов.
  • Разностный анализ: спектры поглощения для левой и правой поляризации вычитаются, формируя XMCD-сигнал.

Основные подходы измерения:

  1. Transmission mode (режим прохождения) — измеряется ослабление рентгеновского луча при прохождении через тонкий образец.
  2. Fluorescence yield (люминесцентный выход) — используется для толстых или непрозрачных материалов, регистрируется рентгеновская люминесценция.
  3. Total electron yield (общее фотоэлектронное поглощение) — чувствителен к поверхностным слоям (~5–10 нм).

Магнитные свойства, изучаемые с помощью XMCD

XMCD позволяет получить детальную информацию о:

  • Спиновой и орбитальной намагниченности отдельных атомов. Используя суммарные правила Тумбса, можно количественно определить величины спинового и орбитального магнитного момента.
  • Элемент-специфическую намагниченность в сложных магнитных системах, таких как ферромагнетики, антиферромагнетики и спиновые стеклянные материалы.
  • Температурные и полевые зависимости намагниченности отдельных элементов в многокомпонентных магнитных системах.
  • Магнитную анизотропию и локальные взаимодействия между атомами в кристаллической решетке.

XMCD на L- и M-краях

Для переходов на L2,3-краях 3d-металлов (например, Fe, Co, Ni):

  • L3 — переход 2p3/2 → 3d
  • L2 — переход 2p1/2 → 3d

Разность поглощения L3 и L2 напрямую связана с спиновым магнитным моментом, а интеграл XMCD по краю позволяет извлечь орбитальный магнитный момент.

Для редкоземельных элементов используются M4,5-края (3d → 4f переходы), что дает доступ к 4f-магнитным моментам, ключевым для тяжелых ферромагнетиков.

Особенности и преимущества метода

  1. Элементная селективность — позволяет изучать магнитные моменты конкретных атомов в сложных сплавах.
  2. Поверхностная чувствительность — особенно в режиме фотоэлектронного выхода.
  3. Высокая энергетическая разрешающая способность — синхротронное излучение обеспечивает разрешение <0,1 eV, что позволяет различать оксидные и металлические состояния.
  4. Неинвазивность — XMCD не разрушает структуру образца, что важно для тонких пленок и наноструктур.
Оглавление