Nukleáris rezonanciaszórás a mágneses vékonyrétegek kutatásában
Deák László
KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet, 1121 Budapest, Konkoly Thege Miklós út 29-33.A g-fotonok visszalökődés-mentes magrezonancia-abszorpciójának (szórásának) jelenségét Mössbauer-spektroszkópia néven hosszú ideje alkalmazzák az anyagtudományban. A szinkrotronsugárzás nukleáris rezonanciaszórása (NRSZ) során radioaktív forrás helyett szinkrotronsugár-forrást alkalmazunk, így e módszer a Mössbauer-spektroszkópia egy ágának te-kinthető és bő két évtizede áll már a kutatók rendelkezésére. A szinkrotronsugárzás kis felületre fókuszálható, mely tulajdonsága jól kihasználható a kisméretű minták vizsgálata során, de polari-záltsága lehetőséget ad a hiperfinom terek irányának meghatározására is [1]. A közel párhuzamos nyalábszerkezetének köszönhetően nemcsak előreszórási (transzmissziós), hanem reflexiós geomet-riában is végezhetünk méréseket.
A vékonyréteg-kutatás szempontjából a nukleáris rezonanciaszórás reflektometriai elrendezésben való detektálása rendkívül fontos, hiszen ekkor a Mössbauer-spektrumokból kinyerhető szokásos - a hiperfinom kölcsönhatásokra vonatkozó - információk mélységszelektív meghatározására is lehetőségünk van. A mélységszelektivitást elméletileg a fotonok hullámhossza korlátozza, ami a tipikus Mössbauer-átmenetekre atomi felbontást jelent! A nukleáris rezonanciaszóráson alapuló reflektometriai vékonyréteg-vizsgálati módszert, a szinkrotron-Mössbauer-reflektometriát (SMR), az elmúlt évtizedben KFKI RMKI Nukleáris Szilárdtestfizikai Osztályán, számos nemzetközi együttműködés keretében, fejlesztettük és alkalmaztuk [1, 2].
A szinkrotronsugár-forrással felvett spektrumok értelmezése lényegesen eltér a hagyományo-san, radioaktív forrással felvett spektrumokétól. A szinkrotron-nyaláb egyszerre gerjeszti a hiperfinom kölcsönhatásoktól felhasadt nívók közötti Mössbauer-átmeneteket, majd a magok kohe-rensen, a nívófelhasadásokra jellemző ún. „kvantum-lebegést” mutatva bomlanak le. A Mössbauer-spektroszkópia energiafüggő spektrumai helyett, szinkrotronsugár-forrás alkalmazása esetén ezért idődiagramokat mérhetünk. Az idődiagramok és az energiaspektrumok egymással Fourier-transzformációs kapcsolatban állnak.
Az SMR-mérések kiértékelésénél problémát jelent, hogy a szokásos energiaspektrumok helyett bonyolult idődiagramokkal kell dolgoznunk. A stroboszkópos detektálás alkalmazásával a szinkrot-ron-forrással is lehetséges az energiafüggő spektrumok közvetlen meghatározása [2 ], azaz a ha-gyományos Mössbauer-spektrumokhoz hasonló jelek detektálása. A stroboszkópos detektálás során a minta elé egy további abszorbenst, egy Mössbauer-mozgatóhoz rögzített referenciamintát, helye-zünk. Ezzel az idődiagramok a referenciaminta sebességétől is függnek. Időintegrálás után tisztán sebességfüggő (azaz energiafüggő) spektrumokat kapunk. Az adott kísérletben vizsgált probléma határozza meg, hogy az idődiagramos, vagy a stroboszkópos detektálási mód alkalmazása célsze-rűbb. Bonyolult kémiai szerkezetek esetében a stroboszkópos detektálás lehet előnyösebb, hiszen közvetlenül a rezonanciavonalakat láthatjuk, míg a nagy pontosságot igénylő, de egyszerűbb szer-kezetű anyagokon végzett méréseknél a referenciaminta elhagyása (az idődiagramos mérés) kedve-zőbb. A stroboszkópos SMR-mérések kiértékelésének elméletét a KFKI RMKI-ban dolgoztuk ki [3], míg ugyancsak mi végeztünk először ilyen típusú kísérletet a japán SPring-8 szinkrotronsugár-forrás rezonanciaszórási nyalábjánál [4].
A mágneses vékonyrétegek laterális inhomogenitásainak (mágneses doménjeinek) jellemzésére a diffúz SMR ad lehetőséget, melynek egy új, sokkal gyorsabb számítási algoritmust eredményező, elméleti leírását, a KFKI RMKI-ban fejlesztettük ki [5], a vonatkozó kiértékelő-programmal együtt [6]. Az előadásban az SMR módszerének néhány alkalmazását demonstráltuk.
Irodalom
[1 ] E. Gerdau and H. de Waard, Hyperfine Interact. 123-125 (2000) a tématerület összefoglaló cikkeinek gyűjteménye
[ 2] L. Deák, L. Bottyán, D.L. Nagy and H. Spiering, Physica B 297 (2001) 113-117
[ 3] R. Callens, R Coussement, C. L’abbe, S. Nasu, K. Vyvey, T Yamada, Y Yoda, and J. Odeurs, Phys. Rev. B 65 (2002) 160404(R)
[ 4] L. Deák, L. Bottyán, R. Callens, R Coussement, M. Major, S. Nasu and Y. Yoda, közlés előtt
[ 5] L. Deák, L. Bottyán, D. L: Nagy, H. Spiering, Yu.N. Khaidukov, Y. Yoda, Phys. Rev. B 76 224420 (2007)
[ 6] http://www.fs.kfki.hu or http://ak-guetlich.chemie.uni-mainz.de/effi/