Forskere opdager ny type ultrahurtig magnetisk omskiftning, mens de undersøger støjinterferens

Forskere ved University of Konstanz har opdaget en ny type ultrahurtig magnetisk omskiftning ved at undersøge fluktuationer, der normalt har en tendens til at forstyrre eksperimenter som støj.

Støj i radioen, når modtagelsen er dårlig, er et typisk eksempel på, hvordan udsving maskerer et fysisk signal. Faktisk forekommer sådan interferens eller støj i enhver fysisk måling ud over det faktiske signal.

"Selv på det mest ensomme sted i universet, hvor der slet ikke burde være noget, er der stadig udsving i det elektromagnetiske felt," siger fysiker Ulrich Nowak.

I Collaborative Research Center (CRC) 1432 "Fluctuations and Nonlinearities in Classical and Quantum Matter beyond Equilibrium" ved University of Konstanz ser forskerne ikke denne allestedsnærværende støj som en forstyrrende faktor, der skal elimineres, men som en kilde til information, der fortæller os noget om signalet.

Ingen magnetisk effekt, men udsving

Denne tilgang har nu vist sig vellykket, når man undersøger antiferromagneter. Antiferromagneter er magnetiske materialer, hvori flere undergitters magnetiseringer ophæver hinanden. Ikke desto mindre anses antiferromagnetiske isolatorer for lovende for energieffektive komponenter inden for informationsteknologi. Da de næsten ikke har magnetiske felter på ydersiden, er de meget svære at karakterisere fysisk. Alligevel er antiferromagneter omgivet af magnetiske udsving, hvilket kan fortælle os meget om dette svagt magnetiske materiale.

I denne ånd analyserede grupperne af de to materialeforskere Ulrich Nowak og Sebastian Gönnenwein fluktuationerne af antiferromagnetiske materialer i forbindelse med CRC. Den afgørende faktor i deres teoretiske såvel som eksperimentelle undersøgelse, for nylig offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications , var det specifikke frekvensområde.

"Vi måler meget hurtige udsving og har udviklet en metode, hvormed fluktuationer stadig kan detekteres på den ultrakorte tidsskala af femtosekunder," siger eksperimentel fysiker Gönnenwein. Et femtosekund er en milliontedel af en milliardtedel af et sekund.

Ny eksperimentel tilgang til ultrahurtige tidsskalaer

På langsommere tidsskalaer kunne man bruge elektronik, der er hurtig nok til at måle disse udsving. På ultrahurtige tidsskalaer virker dette ikke længere, hvorfor der skulle udvikles en ny eksperimentel tilgang. Det er baseret på en idé fra forskergruppen af ​​Alfred Leitenstorfer, som også er medlem af Collaborative Research Center. Ved hjælp af laserteknologi bruger forskerne pulssekvenser eller pulspar for at få information om udsving.

Oprindeligt blev denne målemetode udviklet til at undersøge kvanteudsving og er nu blevet udvidet til udsving i magnetiske systemer. Takayuki Kurihara fra University of Tokyo spillede en nøglerolle i denne udvikling som den tredje samarbejdspartner. Han var medlem af Leitenstorfer-forskningsgruppen og Zukunftskolleg ved universitetet i Konstanz fra 2018 til 2020.

Detektering af fluktuationer ved hjælp af ultrakorte lysimpulser

I eksperimentet transmitteres to ultrakorte lysimpulser gennem magneten med en tidsforsinkelse, hvorved de magnetiske egenskaber testes under henholdsvis transittiden for hver impuls. Lysimpulserne kontrolleres derefter for lighed ved hjælp af sofistikeret elektronik. Den første impuls tjener som reference, den anden indeholder information om, hvor meget antiferromagneten har ændret sig i tiden mellem første og anden impuls. Forskellige måleresultater på de to tidspunkter bekræfter udsvingene. Nowaks forskergruppe modellerede også eksperimentet i udførlige computersimuleringer for bedre at forstå dets resultater.

Et uventet resultat var opdagelsen af ​​det, der er kendt som telegrafstøj på ultrakorte tidsskalaer. Det betyder, at der ikke kun er usorteret støj, men også udsving, hvor systemet skifter frem og tilbage mellem to veldefinerede tilstande. Sådan hurtig, rent tilfældig skift er aldrig blevet observeret før og kunne være interessant for applikationer som tilfældige talgeneratorer. Under alle omstændigheder giver de nye metodiske muligheder for at analysere fluktuationer på ultrakorte tidsskalaer et stort potentiale for yderligere opdagelser inden for funktionelle materialer.

Flere oplysninger: M. A. Weiss et al., Opdagelse af ultrahurtig spontan spin-switching i en antiferromagnet ved femtosekund-støjkorrelationsspektroskopi, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43318-8

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Konstanz