En strukturel lyskontakt til magnetisme

Magnetiske materialer har været en grundpille i computerteknologi på grund af deres evne til permanent at lagre information i deres magnetiske tilstand. Nuværende teknologier er baseret på ferromagneter, hvis tilstande let kan vendes af magnetiske felter. Hurtigere, tættere, og mere robust næste generations enheder ville blive muliggjort ved at bruge en anden klasse af materialer, kendt som antiferromagneter. Deres magnetiske tilstand, imidlertid, er notorisk svær at kontrollere.

Nu, et forskerhold fra MPSD og University of Oxford har formået at drive en prototypisk antiferromagnet ind i en ny magnetisk tilstand ved hjælp af terahertz-frekvenslys. Deres banebrydende metode producerede en effekt, der var større end tidligere opnået, og på ultrahurtige tidsskalaer. Holdets arbejde er netop blevet offentliggjort i Naturfysik .

Styrken og retningen af ​​en magnets 'nordpol' er angivet ved dens såkaldte magnetisering. I ferromagneter, denne let reversible magnetisering kan repræsentere en 'bit' information, hvilket har gjort dem til de foretrukne materialer til magnetbaserede teknologier. Men ferromagneter er langsomme til at fungere og reagerer på vildfarne magnetiske felter, hvilket betyder, at de er tilbøjelige til at fejle og ikke kan pakkes meget tæt sammen.

Antiferromagneter repræsenterer et spændende alternativ. I modsætning til ferromagneter, de har ingen makroskopisk magnetisering, da de består af skiftende op og ned pegende 'magnetiske momenter, ' som stangmagneter i atomstørrelse, der vender retning fra det ene atom til det næste. De er ikke stærkt påvirket af magnetiske felter, hvilket gør dem robuste til informationslagring og giver dem mulighed for at skaleres til meget mindre størrelser. Ud over, de kunne reagere hurtigere end nuværende enheder, med frekvenser op til flere terahertz. Udfordringen for forskere er at finde måder til pålideligt at ændre den magnetiske tilstand af en antiferromagnet.

I deres nye avis, MPSD/Oxford-forskerholdet fulgte en ny tilgang, undersøge, hvordan den magnetiske tilstand af en antiferromagnet påvirkes af dens krystalstruktur. De udnyttede en egenskab ved nogle antiferromagneter kaldet piezomagnetisme, hvor en ændring i atomstrukturen fører til en magnetisering, ligesom i en ferromagnet. Denne ændring opnås normalt ved at anvende et uniaksialt tryk - men dette er en langsom proces, som kan bryde krystallen.

I stedet for pres, holdet brugte lys til at styre den piezomagnetiske effekt i CoF ₂ . Metoden, stammer fra gruppen i Hamborg i 2011, er baseret på spændende gittervibrationer, eller "fononer, " med omhyggeligt skræddersyede lysimpulser. Ved at indstille frekvensen og polariseringen af ​​lysimpulserne, de kunne fremkalde de samme strukturelle forvrængninger, der giver anledning til piezomagnetisme uden at skulle belaste krystallen - en eksperimentel idé foreslået af medforfatter Paolo Radaelli fra Oxford University, mens han besøgte MPSD i 2018.

Denne innovative teknik gjorde det muligt for forskerne at skabe en magnetisering 400 gange større end tidligere opnået. Påfaldende nok, det tog kun omkring 100 ps for magnetiseringen at udvikle sig, og retningen af ​​magnetiseringen kunne vendes ved at ændre lysets polarisering. Resultaterne repræsenterer et stort fremskridt i den optiske kontrol af materialernes egenskaber.

Hovedforfatter Ankit Disa siger:"Dette eksperiment var den første demonstration af 'rationelt' eller 'bevidst' konstruktion af en krystalstruktur med lys. Vi vidste, hvilken type strukturel forvrængning der var nødvendig for at skabe en faseovergang fra en antiferromagnet til en ferromagnet -lignende tilstand. Tricket var at forstå, hvordan man bruger lys til at drive materialet ind i denne nye krystalstruktur."

Andrea Cavalleri, som ledede det eksperimentelle team på MPSD og er involveret i excellence-klyngen CUI :Advanced Imaging of Matter, ser et stort potentiale i brugen af ​​lys til at kontrollere materialernes egenskaber:"Denne teknik kan føre til optomagnetiske kontakter, for eksempel, at lave minder, der kunne skrives og læses af lys. Mere grundlæggende, vi har nu værktøjerne og forståelsen til optisk at konstruere strukturen af ​​materialer på atomær skala, som kan anvendes til at manipulere funktionaliteter i mange slags systemer fra magneter til ferroelektrik til superledere."