Kvanteadfærd ved stuetemperatur:Når laserlys gør materialer magnetiske

Potentialet ved kvanteteknologi er enormt, men er i dag stort set begrænset til de ekstremt kolde miljøer i laboratorier. Nu er det lykkedes forskere fra Stockholm Universitet, Nordisk Institut for Teoretisk Fysik og Ca' Foscari Universitetet i Venedig for allerførste gang at demonstrere, hvordan laserlys kan inducere kvanteadfærd ved stuetemperatur – og gøre ikke-magnetiske materialer magnetiske. Gennembruddet forventes at bane vejen for hurtigere og mere energieffektive computere, informationsoverførsel og datalagring.

Inden for få årtier forventes kvanteteknologiens fremskridt at revolutionere flere af samfundets vigtigste områder og bane vejen for helt nye teknologiske muligheder inden for kommunikation og energi. Af særlig interesse for forskere på området er kvantepartiklernes ejendommelige og bizarre egenskaber – som afviger fuldstændigt fra den klassiske fysiks love og kan gøre materialer magnetiske eller superledende.

Ved at øge forståelsen af ​​præcis, hvordan og hvorfor denne type kvantetilstande opstår, er målet at være i stand til at kontrollere og manipulere materialer for at opnå kvantemekaniske egenskaber.

Hidtil har forskere kun været i stand til at fremkalde kvanteadfærd, såsom magnetisme og superledning, ved ekstremt kolde temperaturer. Derfor er kvanteforskningens potentiale stadig begrænset til laboratoriemiljøer.

Nu er et forskerhold fra Stockholm Universitet og Nordisk Institut for Teoretisk Fysik (NORDITA) i Sverige, University of Connecticut og SLAC National Accelerator Laboratory i USA, National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan, Elettra-Sincrotrone Trieste. , "Sapienza"-universitetet i Rom og Ca' Foscari-universitetet i Venedig i Italien, er de første i verden til at demonstrere i et eksperiment, hvordan laserlys kan inducere magnetisme i et ikke-magnetisk materiale ved stuetemperatur.

I undersøgelsen, offentliggjort i Nature , udsatte forskerne kvantematerialet strontiumtitanat for korte, men intense laserstråler med en ejendommelig bølgelængde og polarisering, for induceret magnetisme.

"Innovationen i denne metode ligger i konceptet med at lade lys bevæge atomer og elektroner i dette materiale i cirkulær bevægelse, for så at generere strømme, der gør det lige så magnetisk som en køleskabsmagnet. Det har vi været i stand til ved at udvikle et nyt lys. kilde i det fjern-infrarøde med en polarisering, som har en 'proptrækker'-form," siger forskningsleder Stefano Bonetti ved Stockholm Universitet og ved Ca' Foscari Universitet i Venedig.

"Det er første gang, vi har været i stand til at inducere og tydeligt se, hvordan materialet bliver magnetisk ved stuetemperatur i et eksperiment. Desuden giver vores tilgang mulighed for at lave magnetiske materialer ud af mange isolatorer, når magneter typisk er lavet af metaller. I på længere sigt åbner dette for helt nye anvendelser i samfundet."

Metoden er baseret på teorien om "dynamisk multiferroicitet", som forudsiger, at når titaniumatomer "røres op" med cirkulært polariseret lys i et oxid baseret på titanium og strontium, vil der blive dannet et magnetfelt. Men det er først nu, at teorien kan bekræftes i praksis. Gennembruddet forventes at have brede anvendelsesmuligheder inden for flere informationsteknologier.

"Dette åbner op for ultrahurtige magnetkontakter, der kan bruges til hurtigere informationsoverførsel og betydeligt bedre datalagring, og for computere, der er væsentligt hurtigere og mere energieffektive," siger Alexander Balatsky, professor i fysik ved NORDITA.

Faktisk er holdets resultater allerede blevet gengivet i flere andre laboratorier og en publikation i samme nummer af Nature demonstrerer, at denne tilgang kan bruges til at skrive, og dermed gemme, magnetisk information. Et nyt kapitel i at designe nye materialer ved hjælp af lys er blevet åbnet.

Flere oplysninger: Stefano Bonetti, Terahertz elektrisk felt-drevet dynamisk multiferroicitet i SrTiO₃ , Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07175-9. www.nature.com/articles/s41586-024-07175-9

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Stockholm Universitet