At finde den rigtige farve til at styre magneter med laserimpulser

Forskere har opdaget en ny måde at manipulere magneter med laserlysimpulser kortere end en billiontedel af et sekund.

Det internationale team af forskere, ledet af Lancaster og Radboud Universiteter, identificerede også lysets bølgelængde eller farve, som muliggør den mest effektive manipulation. Fundet er offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Magneter har fascineret mennesker siden oldtiden, men indtil for hundrede år siden forblev den teoretiske forståelse af magnetisme meget uhåndgribelig. Gennembruddet i forståelse skete med udviklingen af ​​kvantemekanikken og opdagelsen af ​​det faktum, at hver elektron har et iboende magnetisk moment eller spin.

Spindet kan ses som en elementær "nål på et kompas, " typisk afbildet som en pil, der viser retningen fra nord til syd poler. I magneter er alle spins justeret i samme retning af kraften kaldet udvekslingsinteraktion. Udvekslingsinteraktionen er en af ​​de stærkeste kvanteeffekter, som er ansvarlig for selve eksistensen af magnetiske materialer.

Styrken af ​​udvekslingsinteraktionen kan forstås ud fra det faktum, at den genererer magnetiske felter 10, 000 gange stærkere end Jordens magnetfelt. En anden manifestation af dens styrke er, at den kan drive spins til at rotere med en periode på en trilliontedel af et sekund og endnu hurtigere.

Manipulering af udvekslingsinteraktionen ville være den mest effektive og i sidste ende hurtigste måde at kontrollere magnetisme på. For at opnå dette resultat, forskerne brugte den hurtigste og stærkeste stimulus til rådighed:ultrakort laserpulsexcitation.

Imidlertid, For at detektere/observere lysets effekt på magnetisme ville man have brug for et ultrahurtigt magnetometer - en enhed, der ville være i stand til at spore dynamikken i spins med mindre end en billiontedel af en anden opløsning. Dette er meget hurtigere end den tidsmæssige opløsning af moderne elektronik.

Men forfatterne har fundet en løsning på dette problem, som ledende forsker Dr. Rostislav Mikhaylovskiy fra Lancaster University forklarer:"Spinene oscillerer ved Terahertz-frekvenser næsten en billion gange hurtigere end standardkraftledningsfrekvensen på 50 Hz. Takket være så høje svingningsfrekvenser, spinsene fungerer som effektive antenner, der udsender elektromagnetisk stråling. Ved at analysere egenskaberne af den udsendte stråling kan vi udtrække information om den ultrahurtige magnetiseringsdynamik, der udløses af den optiske styring af udvekslingskræfterne."

Ved systematisk at variere farven på excitationslaserens pulser fra rød til blå, forskerne var i stand til at identificere den lysbølgelængde, for hvilken lysets effekt på magnetismen er den stærkeste.

Dr. Mikhaylovskiy sagde:"Det var meget vigtigt at se, at virkningen af ​​lys på udvekslingsinteraktionen virkelig eksisterer. Ved at indstille lysets bølgelængde eller farve begyndte vi at forstå, hvordan vi kunne forstærke denne effekt."

Denne spændende opdagelse åbner en ny forskningslinje på Lancaster University ledet af Dr. Mikhaylovskiy. Det næste trin er at udføre systematiske undersøgelser af den ultrahurtige kontrol af magnetisme i et bredt spektralområde, at sammenligne effektiviteten af ​​pumpningen i det fjerne, mellem-infrarøde og synlige områder og dermed identificere den mest effektive såvel som den hurtigste tilgang til manipulation af spins. Til dette formål er et nyt lasersystem i stand til at producere laserimpulser i alle disse frekvensområder blevet idriftsat.