Investigadores del Instituto Max Born (MBI) han desarrollado un instrumento de rayos X blandos a escala de laboratorio que permite observar estructuras magnéticas ocultas con una resolución espacial de nanómetros (10-9 m) y una resolución temporal de picosegundos (10-12 s). Este avance, publicado en Light: Science & Applications, acerca las capacidades antes exclusivas de los láseres de electrones libres (XFEL) a entornos de investigación más accesibles, abriendo la puerta a estudios rutinarios de procesos ultrarrápidos en materiales magnéticos y otros.
El fenómeno de los dominios magnéticos, regiones diminutas con magnetización opuesta dentro de un material, es fundamental en la investigación moderna del magnetismo. Un imán de nevera que pierde fuerza tras una caída ilustra este concepto: su estructura interna se reorganiza, debilitando su capacidad de adherencia. Observar estos cambios a escalas de tiempo muy cortas solía requerir el acceso a instalaciones XFEL de gran envergadura.
El nuevo instrumento del MBI supera esta limitación combinando una fuente de rayos X generada por plasma láser con un detector de área sensible a fotones individuales. Operando a 100 Hz con una resolución temporal de 9 ps, el sistema logra la estabilidad y sensibilidad necesarias para captar señales de dispersión difusa extremadamente débiles.
Los rayos X blandos ofrecen una sensibilidad excepcional al orden magnético, además de especificidad elemental y alta resolución espacial. En una geometría de dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS), los patrones de dominios magnéticos en el espacio real se traducen en distribuciones de intensidad en el espacio recíproco, proporcionando información detallada sobre el orden a corto y largo alcance de las texturas magnéticas complejas.
Para demostrar sus capacidades, el equipo estudió una multicapa ferrimagnética de Fe/Gd que presenta dominios magnéticos en forma de laberinto a nanoescala. Al sintonizar los rayos X blandos a los bordes de absorción de Fe y Gd (alrededor de 700 y 1200 eV, respectivamente), mapearon la dinámica de la magnetización específica de cada elemento y descubrieron una reorganización compleja y previamente no observada del patrón de dominios en escalas de tiempo de picosegundos a nanosegundos, probablemente impulsada por la inhomogeneidad de la excitación óptica dentro de la muestra.
«Este instrumento nos permite observar el orden magnético con un nivel de detalle que antes requería un láser de electrones libres», afirma Leonid Lunin, uno de los autores principales del estudio. «Ahora podemos hacerlo a diario, directamente en el laboratorio.»
La flexibilidad y eficiencia fotónica de la plataforma permiten realizar estudios sistemáticos variando el campo magnético, la temperatura, la fluencia de excitación o la energía de los fotones, mediciones que actualmente son difíciles o imposibles en la mayoría de las instalaciones a gran escala.
Los autores anticipan futuras mejoras en el flujo de fotones y la sensibilidad mediante el uso de tecnología láser y de detección de próxima generación. Estas actualizaciones podrían hacer que los escaneos multidimensionales y los esquemas de excitación avanzados sean rutinarios, abriendo nuevas vías para el estudio de fases emergentes en una amplia gama de materiales complejos.
