Forskere styrer en magnets tilstand ved optisk at ryste dens atomgitter

Et internationalt hold ledet af forskere fra Delft University of Technology (TU Delft) har formået at manipulere den magnetiske tilstand af et magnetisk materiale ved optisk at ryste det. Hele processen sker inden for en ekstremt kort tidsramme på mindre end et par picosekunder. I tider, hvor effektivitetstendenserne i den nuværende teknologi går i stå, en sådan atomisk drevet ultrahurtig kontrol af magnetisme åbner brede nye perspektiver for informationsteknologi. Resultaterne, som er udgivet i Naturmaterialer , i sidste ende kan føre til hurtige og energieffektive databehandlingsteknologier, som er essentielle for at holde trit med vores datahunger.

Ifølge Dick Tracy - den berømte tegneseriehelt, der fik sin tidlige debut i 1931 - vil nationen, der kontrollerer magnetisme, kontrollere universet. Man kan argumentere for, at i dag, denne idé lyder meget mere troværdig, end den gjorde dengang. Magnetiske materialer er meget brugt i det moderne liv, med applikationer lige fra køleskabsmagneter til Big Techs datacentre, som bruger dem til at gemme oplysninger.

Krystalgitter og magnetisme

Vores stadigt voksende efterspørgsel efter databehandling kræver nye metoder til at manipulere og kontrollere tilstanden af ​​magnetiske materialer på korte tidsskalaer. Disse materialer er vært for billioner af gensidigt tilpassede elementære magnetiske momenter, kaldet spins, hvis arrangement hovedsageligt bestemmes af arrangementet af atomerne i krystalgitteret. Derfor, den mest naturlige vej til kontrol af den magnetiske tilstand er at ændre krystalkonfigurationen.

Højt mekanisk tryk kræves normalt for at have tilstrækkelig indflydelse på magnetiske egenskaber, hvilket kan opnås ved brug af en stor hydraulisk presse. Imidlertid, påføring af en mekanisk belastning er i sagens natur en meget langsom proces. Et internationalt hold af forskere fra Delft, Nijmegen, Lancaster, Liège og Kiev har nu foreslået og eksperimentelt realiseret en elegant løsning på dette problem. Brug af lys til optisk at ryste en magnet ved at resonansstimulere specifikke atomære vibrationer i gitteret, det lykkedes dem at ændre dens magnetiske tilstand.

Et kunstnerisk syn på den nye magnetiske orden, der opstår efter optisk rystning af atomerne. De velordnede blå og røde atomer og spins repræsenterer den nye magnetiske orden.

Ryster med lys

"Vi ryster optisk gitteret af en antiferromagnet dysprosium orthoferrit, en magnet, der består af skiftevis op og ned af små magnetiske øjeblikke og derfor ikke har en nettomagnetisering, i modsætning til de velkendte køleskabsmagneter, " siger TU Delft postdoc-forsker Dmytro Afanasiev. Efter at have rystet krystallen i en meget kort periode, forskerne målte, hvordan de magnetiske egenskaber udviklede sig. De fandt ud af, at antiferromagnetens magnetiske system ændrer sig efter rysten, sådan at der opstår en nettomagnetisering:i en brøkdel af tiden, materialet ligner en hverdags køleskabsmagnet.

Vigtigt, alt dette sker inden for en hidtil uset kort tidsramme på mindre end et par picosekunder (milliontedel af en milliontedel af et sekund). Dette er ikke kun størrelsesordener kortere end optagetiden i moderne computerharddiske, men nærmer sig den grundlæggende grænse for omskiftningsprocessen. Det betyder, at magnetiske bits i fremtidige harddiske kunne skrives meget hurtigt med denne nye metode.

Afanasiev understreger behovet for at udforske denne forskningsretning yderligere:"Disse resultater vil stimulere yderligere forskning i at udforske og forstå de nøjagtige mekanismer, der styrer den ultrahurtige gitterkontrol af den magnetiske tilstand." Andrea Caviglia, lektor og forskningsgruppeleder ved TU Delft, tilføjer:"Forståelse af denne type videnskab vil ikke lade os kontrollere hele universet, som Dick Tracy troede. Men det kan lade os kontrollere et vigtigt og teknologisk indflydelsesrigt hjørne af det."