Forskere opnår næsten øjeblikkelig magnetisering af stof med lys

Produktionen af ​​enheder til at lagre eller overføre information er en af ​​de mest hyppige teknologiske anvendelser af magnetisme. En eksperimentel og teoretisk undersøgelse udført ved University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) i Brasilien har opdaget en ultrahurtig måde at magnetisere stof på med minimalt energiforbrug.

Ved at bruge en teknik kaldet magnetisering med lys, forskerne magnetiserede en prøve af europium-selenid (EuSe) på 50 picosekunder med en 50-watt-pære placeret et par centimeter væk. Et picosekund er en trilliontedel af et sekund.

En artikel, der beskriver eksperimentet, med titlen "Ultrahurtig lysskiftning af ferromagnetisme i EuSe, " blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Eksperimentet blev udført af André Bohomoletz Henriques, fuld professor ved IF-USP, og samarbejdspartnere med støtte fra São Paulo Research Foundation-FAPESP.

"Vores mål var at finde nye mekanismer til at ændre magnetismen af ​​materialer i en ultrakort tidsskala ved kun at bruge lys. Det nye i vores forskning er, at det gør meget stærk magnetisering mulig med meget små mængder lys, " sagde Henriques.

Processen blev eksperimentelt udledt ved University of São Paulo's Magneto-Optics Laboratory, men at fortolke fænomenet krævede betydeligt teoretisk arbejde, involverer procedurer såsom selvkonsistente kvantemekaniske beregninger og Monte Carlo-simuleringer, fra gruppen ledet af Henriques.

Magnetiseringen af ​​et materiale er forbundet med den rumlige rækkefølge af spins af dets bestanddele partikler. I et umagnetiseret materiale, dets atomers spins (som følge af dets elektroners spins) er uordnede. Fordi vektorstørrelse er involveret, hvert atoms spin peger i en vilkårlig retning. I visse situationer, disse spins kan bestilles af light, hvilken, som resultat, kan fuldstændig magnetisere et oprindeligt uordnet materiale. Billedet ovenfor illustrerer processen med magnetisering med lys.

Materialet valgt til eksperimentet var halvlederen europium selenid (EuSe), hvor hver foton bestilte spins på 6, 000 elektroner.

"Dette sker, fordi når en foton interagerer med en elektron, det ændrer en tilstand, der er stærkt placeret i atomet, til en tilstand, der strækker sig til mange atomer, ", forklarede Henriques. "Resultatet er, at på usædvanlig kort tid, omkring 50 picosekunder, alle atomer inden for rækkevidde af elektronens bølgefunktion skifter deres spin til en fælles retning, skabe et supergigantisk magnetisk øjeblik, der nærmer sig 6, 000 Bohr magnetoner. Det svarer til det magnetiske moment på 6, 000 elektroner med spin alle peger i samme retning. Resultatet, betragtet som uventet og spektakulært af fagfællebedømmere for Physical Review Letters, var det med en enkelt foton, vi var i stand til at justere spins på 6, 000 elektroner."

Spin er populært forstået som rotation af en partikel omkring en akse, men denne opfattelse svarer ikke til virkeligheden og tjener kun som en repræsentation af en partikel forbundet med en elektrisk strøm svarende til et magnetisk moment.

Partikler har ikke kun inertimasse og elektrisk ladning, men også en tredje fysisk egenskab kaldet spin. Denne ejendom, karakteriseret som en vektor (dvs. en fysisk størrelse med størrelse og retning), beskriver partiklens magnetiske moment. Som en kompasnål, som er orienteret i en nord-syd retning ved at trække fra Jordens magnetfelt, fordi den har et magnetisk moment, en partikels spin har også en tendens til at pege i retning af det magnetiske felt, der virker på den.

"At magnetisere europiumselenid, fotonen skal have energi nok til at overføre en elektron fra en bane meget tæt på atomkernen til en fjern bane i ledningsbåndet. Som følge af denne overførsel, elektronen interagerer magnetisk med tusindvis af nærliggende atomer. Interaktionen mellem elektronens magnetiske moment og de magnetiske momenter af de nærliggende atomer justerer alle deres spins, " sagde den FAPESP-støttede forsker.

Anti-ferromagnetisk interaktion

Europium selenid blev valgt på grund af dets høje magnetiske følsomhed, hvilket resulterer i atomspins stærke tendens til at justere sig under påvirkning af et meget lille magnetfelt.

"Ud over den magnetiske interaktion mellem elektronen og europium-atomerne, der er også magnetisk interaktion mellem europium-atomerne selv. Interaktion mellem første naboer er ferromagnetisk; med andre ord, det favoriserer justering i samme retning. Men interaktion mellem andre naboer er anti-ferromagnetisk og favoriserer justering i modsatte retninger, " sagde Henriques.

"Disse to interaktioner ophæver næsten hinanden. Faktisk, den anti-ferromagnetiske interaktion hersker næsten. Af denne grund, under sædvanlige forhold, materialet findes i anti-ferromagnetisk tilstand, uden magnetisme. Imidlertid, enhver mindre forstyrrelse, såsom tilstedeværelsen af ​​en elektron, kan forstyrre denne delikate balance af interaktioner og favorisere den ferromagnetiske tilstand, dvs. justeringen af ​​alle spins i krystallen i samme retning, magnetisering af materialet næsten øjeblikkeligt."

Der er forskellige former for magnetisk interaktion. Den bedst kendte form er dipolær interaktion, som karakteriserer tiltrækningen mellem to magneter, men der er også udvekslingsinteraktion, som er langt stærkere og påvirker magnetismen af ​​en kompasnål eller køleskabsmagnet.

Udvekslingsinteraktion er af elektrostatisk oprindelse og udgør et kvantefænomen afledt af Paulis udelukkelsesprincippet, som ikke har nogen analog i klassisk fysik. Denne proces gør ultrahurtig magnetisering med lys mulig med minimalt energiforbrug.

Selvom de udførte denne undersøgelse udelukkende som grundforskning, Henriques og hans team er opmærksomme på de potentielle teknologiske anvendelser i forbindelse med den hurtigt fremadskridende elektronikindustri. Ifølge en leder offentliggjort i marts 2018 i tidsskriftet Naturfysik , manipulation af magnetisme i anti-ferromagnetiske materialer såsom europium selenid er et spirende forskningsfelt med lovende potentiale for anvendelse i elektroniske enheder.