Måling af ændringer i magnetisk rækkefølge for at finde måder at overskride konventionel elektronik

Forskere over hele verden leder konstant efter måder at forbedre eller overskride elektroniske enheders muligheder, som ser ud til at nå deres teoretiske grænser. Utvivlsomt, en af ​​de vigtigste fordele ved elektronisk teknologi er dens hastighed, hvilken, omend høj, kan stadig overgås af størrelsesordener gennem andre tilgange, der endnu ikke er kommercielt tilgængelige.

En mulig måde at overgå traditionel elektronik på er gennem brugen af ​​antiferromagnetiske (AFM) materialer. Elektronerne i AFM-materialer retter sig spontant ind på en sådan måde, at den samlede magnetisering af materialet praktisk talt er nul. Faktisk, rækkefølgen af ​​et AFM-materiale kan kvantificeres i det, der er kendt som 'ordensparameteren'. Nyere undersøgelser har endda vist, at AFM-ordreparameteren kan 'skiftes' (dvs. ændret fra en kendt værdi til en anden, virkelig hurtigt) ved hjælp af lys eller elektriske strømme, hvilket betyder, at AFM-materialer kan blive byggestenene i fremtidens elektroniske enheder.

Imidlertid, dynamikken i ordreskifteprocessen er ikke forstået, fordi det er meget vanskeligt at måle ændringerne i AFM-ordreparameteren i realtid med høj opløsning. Nuværende tilgange er afhængige af kun at måle visse fænomener under AFM-ordreskift og forsøge at opnå det fulde billede derfra, som har vist sig at være upålidelig til at forstå andre mere indviklede fænomener i detaljer. Derfor, et forskerhold ledet af prof. Takuya Satoh fra Tokyo Tech og forskere fra ETH Zürich, udviklet en metode til grundigt at måle ændringerne i AFM-rækkefølgen af ​​en YMnO ₃ krystal induceret gennem optisk excitation (dvs. ved hjælp af en laser).

Hovedproblemet, som forskerne adresserede, var den påståede "praktiske umulighed" af at skelne mellem elektrondynamik og ændringer i AFM-rækkefølgen i realtid, som begge induceres samtidigt, når materialet exciteres for at fremkalde skift af ordreparametre, og når der foretages målinger. De brugte en lysbaseret målemetode kaldet 'anden harmonisk generation' ' hvis outputværdi er direkte relateret til AFM-ordreparameteren, og kombinerede det med målinger af et andet lysbaseret fænomen kaldet Faraday-effekten. Denne effekt opstår, når en bestemt type lys eller laser bestråles på magnetisk ordnede materialer; i tilfælde af YMnO ₃ , denne effekt ændrer dens AFM-ordreparameter på en forudsigelig og velforstået måde. Dette var nøglen til deres tilgang, så de kunne adskille oprindelsen og naturen af ​​flere samtidige kvantefænomener, der påvirkede målingerne af begge metoder forskelligt.

Ved at kombinere disse to forskellige målemetoder, forskerne formåede fuldt ud at karakterisere ændringerne i AFM-ordreparameteren i realtid med ultrahurtig opløsning. "Den foreslåede generelle tilgang tillader os at få adgang til ordre-parameter dynamik på tidsskalaer på mindre end en trilliontedel af et sekund, " siger Prof. Satoh. Den præsenterede tilgang er afgørende for bedre at forstå antiferromagnetiske materialers indre funktion. "Nøjagtig og grundig sporing af variationerne i rækkefølgeparameteren er uundværlig for at forstå den komplekse dynamik, der opstår under ultrahurtig omskiftning og andre AFM-relaterede fænomener , " forklarer Prof. Satoh. Værktøjet fra forskerne bør nu udnyttes til at udføre mere forskning og forhåbentlig skabe udvikling af revolutionerende elektroniske enheder med hidtil usete hastigheder.