科学家利用磁缺陷实现电磁波的突破

冲浪者花费大量时间观察长波进入海岸线，因为当它开始弯曲和折断时，他们试图抓住一条正确的海浪。

同样，科学家正在努力创造扭曲的螺旋电磁波，其曲率允许在原子水平上更精确地成像不同材料的磁性，并可能导致未来器件的发展。

当科学家使用电子束观察材料样本时，他们能够修改构成光束的电磁波的许多不同方面。它们可以使波的幅度更大或更小，或使波更快或更慢。然而，到目前为止，没有简单的方法可以将平面波 - 如海上长长的滚动波 - 转换成螺旋波，就像在海岸上撞击的那样。

“如果我们能够看到材料的磁矩，我们就可以描述材料的总磁性，以及材料将如何表现出其电子和磁性。” - 阿尔贡材料科学家CD Phatak

在美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的一项新研究中，科学家们创造了由纳米级磁岛组成网格的小磁区缺陷。平面波与这些缺陷相互作用，从而产生螺旋波。

Argonne材料科学家Charudatta(CD)Phatak说：“我们正在寻找具有完美卷曲的波浪，并且为了产生卷曲，我们需要给它们一些撞击的东西，在我们的例子中是磁性单极子。”

科学家对螺旋波如此感兴趣的原因是它们具有称为轨道角动量的特性。了解电子束的轨道角动量允许科学家通过确定称为磁矩的原子特性来研究材料在原子水平上的磁性行为。

“如果我们能够看到材料的磁矩，我们就可以对材料的总磁性能进行描述，以及材料将如何显示其电子和磁性，”Phatak说。

以这种方式，重新配置的电子束可用于研究其中自旋和磁化起关键作用的材料，可能为新形式的电子器件铺平道路。

获得由轨道角动量编码的信息也将使科学家能够更好地理解手性材料的细微差别，这些材料具有决定其性质的左手或右手。

可以将缺陷网格插入任何透射电子显微镜中，以提供对样品成像的直接方式。“人们通常不会考虑以这种方式修改光束轮廓，”Phatak说。

在实验的下一阶段，Phatak解释说，研究人员可能会寻求用螺线管或可以作为电磁铁的线圈替换磁岛的网格。使用螺线管可以产生更精确调整的磁缺陷。“现在，由于磁栅的布置，我们只能产生累积磁化强度为2或4的缺陷，但螺线管将使我们能够获得更宽范围的磁化状态，”Phatak说。

基于该研究的论文“纳米级局部磁荷引起的电子波拓扑缺陷的直接证据”出现在10月22日的纳米快报在线期刊上。Argonne高级材料科学家Amanda Petford-Long也参与了这项研究。