Forskere bruger laserlys til at omdanne metal til magnet

Banebrydende fysikere fra Københavns Universitet og Nanyang Teknologiske Universitet i Singapore har opdaget en måde at få ikke-magnetiske materialer til at gøre sig selv magnetiske ved hjælp af laserlys. Fænomenet kan også bruges til at give mange andre materialer nye egenskaber.

Materialernes iboende egenskaber stammer fra deres kemi - fra de typer af atomer, der er til stede, og den måde, de er arrangeret på. Disse faktorer bestemmer, for eksempel, hvor godt et materiale kan lede elektricitet, eller om det er magnetisk eller ej. Derfor, den traditionelle vej til at ændre eller opnå nye materialeegenskaber har været gennem kemi.

Nu, et par forskere fra Københavns Universitet og Nanyang Technological University i Singapore har opdaget en ny fysisk vej til transformation af materielle egenskaber:når de stimuleres af laserlys, et metal kan forvandle sig indefra og pludselig få nye egenskaber.

"For flere år, vi har undersøgt, hvordan man kan transformere et stofs egenskaber ved at bestråle det med visse typer lys. Det nye er, at vi ikke kun kan ændre egenskaberne ved hjælp af lys, vi kan få materialet til at ændre sig selv, indefra og ud, og træde ind i en ny fase med helt nye ejendomme. For eksempel, et ikke-magnetisk metal kan pludselig forvandle sig til en magnet, " forklarer lektor Mark Rudner, forsker ved Københavns Universitets Niels Bohr Institut.

Han og kollega Justin Song fra Nanyang Technological University i Singapore gjorde den opdagelse, der nu er offentliggjort i Naturfysik . Ideen om at bruge lys til at transformere et materiales egenskaber er ikke ny i sig selv. Men indtil nu, forskere har kun været i stand til at manipulere de egenskaber, der allerede findes i et materiale. At give et metal sit eget "separate liv, "tillader den at generere sine egne nye egenskaber, er aldrig set før.

I form af teoretisk analyse, det er lykkedes forskerne at bevise, at når en ikke-magnetisk metallisk skive bestråles med lineært polariseret lys, cirkulerende elektriske strømme og dermed magnetisme kan spontant opstå i disken.

Forskere bruger såkaldte plasmoner (en type elektronbølge), der findes i materialet til at ændre dets iboende egenskaber. Når materialet bestråles med laserlys, plasmoner i metalskiven begynder at rotere enten med eller mod uret. Imidlertid, disse plasmoner ændrer den kvanteelektroniske struktur af et materiale, som samtidig ændrer deres egen adfærd, at katalysere en feedback-loop. Feedback fra plasmonernes indre elektriske felter får til sidst plasmonerne til at bryde materialets iboende symmetri og udløse en ustabilitet mod selvrotation, der får metallet til at blive magnetisk.

Teknik kan producere ejendomme 'on demand'

Ifølge Mark Rudner, de nye teoripræster åbner en helt ny tankegang og højst sandsynligt, en bred vifte af applikationer:

”Det er et eksempel på, hvordan samspillet mellem lys og materiale kan bruges til at frembringe bestemte egenskaber i et materiale ’on demand’. Det baner også vejen for en lang række anvendelser, fordi princippet er ret generelt og kan fungere på mange typer materialer. Vi har demonstreret, at vi kan omdanne et materiale til en magnet. Vi kan måske også ændre den til en superleder eller noget helt andet, siger Rudner. Han tilføjer:

"Man kunne kalde det 21. århundredes alkymi. I middelalderen, mennesker blev fascineret af udsigten til at omdanne bly til guld. I dag, vi sigter mod at få et materiale til at opføre sig som et andet ved at stimulere det med en laser."

Blandt mulighederne, Rudner foreslår, at princippet kunne være nyttigt i situationer, hvor man har brug for et materiale til at veksle mellem at opføre sig magnetisk og ikke. Det kan også vise sig at være nyttigt inden for optoelektronik - hvor, for eksempel, lys og elektronik kombineres til fiber-internet og sensorudvikling.

Forskernes næste trin er at udvide kataloget over ejendomme, der kan ændres på analoge måder, og at hjælpe med at stimulere deres eksperimentelle undersøgelse og udnyttelse.