Skinnende lys på todimensionelle magneter

Atomisk tynde van der Waals-magneter ses bredt som det ultimative kompakte medie til fremtidig magnetisk datalagring og hurtig databehandling. Styring af disse materialers magnetiske tilstand i realtid, imidlertid, har vist sig svært. Men nu, et internationalt team af forskere ledet af Delft University of Technology (TU Delft) har formået at bruge lys til at ændre anisotropien af ​​en van der Waals antiferromagnet efter behov, baner vejen for nyt, ekstremt effektive midler til datalagring.

De tynde atomlag, der udgør van der Waals magneter, kan virke ekstremt skrøbelige, men de kan være omkring 200 gange stærkere end stål. Desværre, denne mekaniske styrke oversættes ikke nødvendigvis til stærke magnetiske egenskaber. Grunden til dette er, at i to dimensioner, den magnetiske rækkefølge af disse magneter bliver særligt sårbare over for varme. Enhver temperatur over det absolutte nulpunkt (-273 °C) aktiverer tilfældige fluktuationer i orienteringen af ​​de mikroskopiske spins, som fuldstændig kan kollapse den magnetiske orden. Så indtil vi kan kontrollere deres magnetiske tilstand, løfterne om atomisk tynde magneter er netop det:løfter.

Styring af magnetisme

Den eneste måde at modvirke de termiske agitationer på er at stikke magnetiske spins mere til nogle retninger i materialet end til andre. Eller, som fysikere kalder det:at inducere magnetisk anisotropi. Hvis du gør det, bliver det sværere for spins at ændre deres orientering, og derved løfte deres bestillingstemperatur (kendt som Curie-temperaturen) langt over det absolutte nulpunkt. Styring af anisotropi i lavdimensionelle magneter, med andre ord, baner en direkte vej til at kontrollere deres bestillingstemperatur og dermed selve magnetismen.

I deres undersøgelse, det internationale hold, som bestod af forskere fra Holland, Spanien og Ukraine, brugte ultrakorte lysimpulser, en billion gange kortere end et enkelt sekund, at inducere den magnetiske anisotropi i en todimensionel van der Waals antiferromagnet. Hvorfor bruge lys? "Fordi det er en meget praktisk kontrolknap, " Dr. Andrea Caviglia forklarer. "Du kan nemt og hurtigt tænde og slukke for det og derfor manipulere anisotropien efter behov, hvilket er præcis, hvad vi har brug for, hvis vi vil begynde at bruge disse materialer til effektiv datalagring."

Justering af farven

Ved systematisk at variere lysets farve fra synligt til nær-infrarødt, forskerne fandt også ud af, at ikke alle typer lys kan generere magnetisk anisotropi. For at fremkalde denne egenskab, lysets farve skal matche den energi, der kræves for at ændre elektronens orbitale tilstand. Det vil sige:at ændre den måde, elektron hvirvler rundt om en positivt ladet kerne. Da elektronspin og dets orbitale bevægelse er tæt forbundet, lysexcitationer inducerer anisotropi, hvilket resulterer i en todimensionel spin-bølge bevægelse. "Denne bevægelse er sammenhængende - hele spin-ensemblet bevæger sig i fase ved høje frekvenser, siger Jorrit Hortensius, en ph.d. studerende ved TU Delft. "Dette er en elegant og på samme tid praktisk talt universel løsning til at manipulere magnetisk anisotropi i praktisk talt enhver todimensionel magnet."

I dette proof-of-princip-eksperiment, holdet viste, at anisotropi kan fotoinduceres i en lille brøkdel af tiden, næsten det samme som varigheden af ​​lysimpulsen. Imidlertid, For praktiske anvendelser skal ændringerne af magneten opretholdes i længere tid. Forskerne håber, at lysimpulser med en længere varighed kan hjælpe med at nå dette mål. Dr. Dmytro Afanasiev, som i øjeblikket arbejder på University of Regensburg siger:"Vi håber, at længere lysimpulser endda kan fremme den magnetiske orden over ligevægtsordenstemperaturen, så vi i realtid kan se, hvordan den ordnede tilstand opstår fra magnetisk kaos. Dette vil helt sikkert øge vores forståelse af magnetisme i disse van der Waals-magneter."

Undersøgelsen er publiceret i Videnskabens fremskridt .