Lys kan magnetisere ikke-magnetiske metaller, foreslå fysikere

Fysikere fra Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) og Niels Bohr Institutet i København, Danmark, har udtænkt en metode til at omdanne et ikke-magnetisk metal til en magnet ved hjælp af laserlys.

Magneter og deres magnetfelt produceres typisk af cirkulerende strømme, som dem, der findes i hverdagens elektromagnetiske spoler. Disse spolers 'håndhed' - uanset om de er viklet med uret eller mod uret - bestemmer retningen af ​​det magnetiske felt, der produceres.

Forskerne teoretiserer, at når ikke-magnetiske metalliske diske belyses af lineært polariseret lys - lys, der ikke har nogen egen håndkraft - kan cirkulerende elektriske strømme og dermed magnetisme spontant dukke op i disken.

Denne metode kunne i princippet omdanne ikke-jernholdige metaller til magneter "on-demand" ved hjælp af laserlys.

Den nye teori af adjunkt Justin Song fra NTU's School of Physical and Mathematical Sciences og lektor Mark Rudner fra Niels Bohr Institutet, blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturfysik tidligere på måneden.

Ved at formulere deres forslag, forskerne udviklede en ny måde at tænke på samspillet mellem lys og stof. De brugte en kombination af blyant-og-papir-beregninger og numeriske simuleringer til at udtænke det.

Asst Prof Song sagde, at deres skema er et eksempel på, hvordan nye stærke lys-stof-interaktioner kan bruges til at skabe materialeegenskaber "on-demand." Hvis det realiseres eksperimentelt, dette ville åbne op for en lang række potentielle anvendelser på tværs af en række plasmoniske materialer af høj kvalitet, såsom grafen.

Udnyttelse af plasmoniske felter

Egenskaberne af mange materialer menes konventionelt at være faste, bestemmes af arrangementet af dets atomer på nanoskala. For eksempel, konfigurationen af ​​atomer i et materiale dikterer, om det leder elektricitet let eller har isolerende/ikke-ledende adfærd.

Song og Rudner ønskede at udforske, hvordan plasmoner - lokale ladningssvingninger i metaller - og de intense oscillerende elektriske felter, de skaber, kan bruges til at ændre materialeegenskaber.

Ligesom hvordan lys består af fotoner, plasmaoscillationen består af plasmoner, en type kvasipartikel. Plasmoner har en tendens til at oscillere og bevæge sig i samme retning som det felt, der driver dem (f.eks. lysfeltets polarisationsretning).

Imidlertid, forskerne fandt ud af, at når lysbestrålingen er stærk nok, plasmonerne i en ikke-magnetisk metalskive kan spontant rotere enten venstrehåndet eller højrehåndet, selv når den drives af lineært polariseret lys.

"Dette var en signatur på, at materialets iboende egenskaber var blevet ændret, " sagde Asst Prof Song. "Vi fandt ud af, at når en plasmons stærke indre felter ændrer et materiales elektroniske båndstruktur, ville det også transformere plasmonen, opsætning af en feedback-loop, der gør det muligt for plasmonen spontant at udvise en chiralitet."

Denne chirale bevægelse af plasmonet frembragte en magnetisering, som derefter gjorde den ikke-magnetiske metalliske skive i deres skema, magnetisk.

Forskerne siger, at den vigtigste observation i deres teoretiske analyse er, at intense plasmoniske oscillerende elektriske felter kan ændre dynamikken af ​​elektronerne i metallet.

Lektor Rudner sagde:"Fra synspunktet om en elektron i et materiale, et elektrisk felt er et elektrisk felt:det er ligegyldigt, om dette oscillerende felt blev produceret af plasmoner i selve materialet eller af en laser, der skinner på materialet."

Song og Rudner brugte denne indsigt til teoretisk at demonstrere betingelserne, når feedback fra plasmonernes indre felter kunne udløse en ustabilitet mod spontan magnetisering i systemet. Holdet forventer, at denne teoretiske tilgang kan realiseres i en række plasmoniske materialer af høj kvalitet, såsom grafen.

Emergent adfærd

Forestillingen om at bruge lys til at ændre et materiales egenskaber har fået meget videnskabelig opmærksomhed på det seneste. Imidlertid, mange af de offentliggjorte eksempler gennemsyrer et materiale med egenskaber til stede i lysbestrålingen (f.eks. ved at bestråle et materiale med cirkulært polariseret lys, et materiale kan opnå en chiralitet eller håndhed) eller kvantitativt forstærke en egenskab, der allerede var til stede i materialet.

Sang og Rudners forskning, i modsætning til disse tilgange, er gået meget længere, de siger.

"Vi fandt ud af, at plasmonerne kan få en slags 'separat liv' eller 'fremkomst' med nye egenskaber, der ikke var til stede i hverken det metal, der er vært for plasmonerne, eller det lysfelt, der drev det, " Asst Prof Song tilføjede. Plasmonens adfærd var fremkommet i den forstand, at den brød de iboende symmetrier af både lysfeltet og metallet.

Emergent adfærd, hvor helheden er mere end summen af ​​dens dele, opstår, når mange partikler interagerer med hinanden for at handle på en kollektiv måde. Det er ansvarligt for en række nyttige faser af stof, såsom ferromagneter og superledere, der typisk styres af temperatur. Holdets forskning udvider denne idé til plasmoner og fremsætter, hvordan den kan kontrolleres ved lysbestråling.

"På et dybere plan, der er mange grundlæggende spørgsmål at udforske om arten af ​​den spontane symmetribrud ("fremkomst"), som vi forudsagde, uden ligevægt, sagde lektor Rudner.

Asst Prof Song, en National Research Foundation (NRF) Singapore-stipendiat, var enige, siger "Måske det mest meningsfulde budskab for vores arbejde er, at det viser, at kollektive tilstande kan udvise særskilte nye faser. Hvis plasmonisk magnetisme er mulig, hvilke andre faser af kollektive tilstande venter på at blive afsløret?"