Conmutación ultrarrápida de la helicidad de los pulsos de luz polarizados circularmente
El cambio ultrarrápido de la helicidad de la luz es particularmente interesante para observar los procesos en los materiales magnéticos
En el anillo de almacenamiento de BESSY II, un equipo conjunto de físicos aceleradores, expertos en onduladores y experimentadores ha demostrado cómo la helicidad de la radiación de sincrotrón de polarización circular puede cambiarse más rápidamente, hasta un millón de veces más rápido que antes. Utilizaron un doble ondulador elíptico desarrollado en el HZB y operaron el anillo de almacenamiento en el llamado modo de dos órbitas. Este es un modo de operación especial que fue desarrollado recientemente en BESSY II y proporciona la base para una rápida conmutación. El cambio ultrarrápido de la helicidad de la luz es particularmente interesante para observar los procesos en los materiales magnéticos y ha sido esperado durante mucho tiempo por una gran comunidad de usuarios.
Esta imagen muestra una imagen de rayos X del haz de electrones en modo TRIB donde coexisten dos órbitas: la órbita regular y la segunda que gira a su alrededor cerrándose sólo después de tres revoluciones.
© F. Armborst/K. Holldack
En las fuentes de radiación de sincrotrón como BESSY II, los haces de electrones orbitan alrededor del anillo de almacenamiento a casi la velocidad de la luz. Se ven obligados a emitir pulsos de luz extremadamente brillantes con propiedades especiales por estructuras magnéticas periódicas (onduladores).
Experimentos con pulsos de luz polarizada
Los onduladores elípticos pueden utilizarse para generar también pulsos de luz polarizados circularmente, que muestran una característica llamada helicidad: la polarización va en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario. Las estructuras magnéticas de los materiales reaccionan de forma diferente a la luz polarizada circularmente: Dependiendo de la helicidad de los pulsos de rayos X, absorben más o menos esta radiación.
Desde la década de 1980, esto se ha explotado en los llamados experimentos XMCD (dicroísmo circular de rayos X) para investigar los cambios estáticos y dinámicos en los materiales magnéticos o para obtener imágenes de nanoestructuras magnéticas en superficies.
La dinámica de la cartografía en los materiales magnéticos
Especialmente para estas técnicas de obtención de imágenes, la comunidad de usuarios de las fuentes de radiación de sincrotrón ha deseado durante mucho tiempo la posibilidad de conmutar rápidamente la helicidad de la luz, principalmente porque esto da lugar directamente a un contraste de imagen magnética que hace que los bits en los dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos sean visibles y cuantificables.
En los onduladores elípticos típicos de BESSY II (MANZANA II), desarrollados por el grupo alrededor de Johannes Bahrdt, la helicidad de la luz se conmuta por un desplazamiento mecánico de arreglos de metros de largo de fuertes imanes permanentes, un proceso que a veces toma hasta minutos.
Dos órbitas
El nuevo método, sin embargo, se basa en la combinación de tales onduladores con una órbita especial del haz de electrones en el anillo de almacenamiento - generada por los llamados TRIBs (cubos de isla de resonancia transversal). Los TRIBs han sido explorados experimentalmente por el experto en aceleradores Dr. Paul Goslawski en BESSY II. Mientras que la trayectoria de los electrones en el anillo de almacenamiento normalmente se cierra después de una órbita, en el modo TRIBs los electrones corren en diferentes órbitas durante las órbitas sucesivas y por lo tanto pueden emitir pulsos de rayos X de diferentes configuraciones de campo magnético, sugirieron el Dr. Karsten Holldack y el Dr. Johannes Bahrdt.
Y funciona
Recientemente pudieron demostrar que su idea funciona realmente con la ayuda del ondulador doble existente UE56-2 en BESSY II en un experimento piloto: Al pasar a través de una disposición de imanes especialmente preparada de este doble ondulador, los haces de electrones de diferentes órbitas en el modo TRIBs emitieron fotones de rayos X con la misma longitud de onda pero con polarización circular opuesta.
Cambiando un millón de veces por segundo
Así pues, en principio, las señales XMCD de las muestras magnéticas pueden estudiarse ahora a intervalos de sólo 1 microsegundo con pulsos de luz polarizados circularmente a la derecha y luego a la izquierda. En el experimento piloto, las señales XMCD de una muestra magnética (níquel en permalloy) se detectaron de revolución en revolución y se pudo demostrar claramente el rápido cambio de helicidad (MHz). Con nuevos onduladores adaptados para este fin, se pudieron ofrecer líneas de haz especiales con cambio de helicidad ultrarrápido en BESSY II en modo TRIBs. En última instancia, los tiempos de conmutación podrían reducirse a nanosegundos.
Perspectivas: BESSY III
"Estamos realmente encantados de que el desarrollo de las dos órbitas / TRIBs permita ahora ya nuevos experimentos en BESSY II", dice Goslawski. Esto también sería una opción atractiva para BESSY III.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Karsten Holldack, Christian Schüßler-Langeheine, Paul Goslawski, Niko Pontius, Torsten Kachel, Felix Armborst, Markus Ries, Andreas Schälicke, Michael Scheer, Winfried Frentrup and Johannes Bahrdt; "Flipping helicity of X-rays from an undulator at unprecedented speed"; Nature Communications Physics; 2020
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