Naukowcom z Uniwersytetu w Bazylei i ETH w Zurychu udało się zmienić polaryzację specjalnego ferromagnesu za pomocą wiązki lasera. W przyszłości metodę tę można będzie wykorzystać do tworzenia adaptowalnych obwodów elektronicznych wykorzystujących światło.
W ferromagnesie działają połączone siły. Aby igła kompasu wskazywała północ lub magnes na lodówkę przylgnął do drzwi lodówki, wirują w nich niezliczone elektrony, z których każdy wytwarza jedynie maleńkie pole magnetyczne, wszystkie muszą być ustawione w tym samym kierunku. Dzieje się to poprzez interakcje pomiędzy spinami, które muszą być silniejsze niż nieuporządkowany ruch termiczny wewnątrz ferromagnesu. Jeśli temperatura materiału spadnie poniżej wartości krytycznej, staje się on ferromagnetyczny.
I odwrotnie, aby zmienić polaryzację ferromagnesu, zwykle trzeba go najpierw podgrzać powyżej temperatury krytycznej. Spiny elektronów mogą wówczas zmienić swoją orientację, a po ochłodzeniu pole magnetyczne ferromagnesu ostatecznie wskazuje inny kierunek.
Zespołowi badaczy kierowanemu przez prof. dr Tomasza Smoleńskiego z Uniwersytetu w Bazylei i prof. dr Ataça Imamoğlu z ETH w Zurychu udało się obecnie dokonać takiej re-orientacji przy użyciu wyłącznie światła-bez żadnego ogrzewania. Wyniki opublikowali wNatura.
Interakcje i topologia
„Ekscytujące w naszej pracy jest to, że łączymy trzy główne tematy współczesnej fizyki materii skondensowanej w jednym eksperymencie: silne interakcje między elektronami, topologię i kontrolę dynamiczną” – mówi Imamoğlu.
Aby to osiągnąć, badacze zastosowali specjalny materiał składający się z dwóch-cienkich warstw organicznego półprzewodnika ditellurek molibdenu, które są lekko skręcone względem siebie.
W takich materiałach-mogą powstawać tak zwane stany topologiczne. Mówiąc najprościej, stany topologiczne można scharakteryzować na podstawie tego, jak wyglądają: kula (bez dziury) lub pączek (jeden otwór). Co ważne, kulki nie można zamienić w pączek poprzez proste odkształcenie, co oznacza, że stany topologiczne są określone jednoznacznie i trwale.
W nowych eksperymentach-współnadzorowanych przez Smoleńskiego i Imamoğlu elektrony można było dostroić pomiędzy stanami topologicznymi, które są izolujące, a stanami metalicznymi, które przewodzą. Co ciekawe, interakcje powodują, że spiny elektronów w obu stanach ustawiają się równolegle do siebie, zamieniając materiał w ferromagnetyk.
„Naszym głównym osiągnięciem jest to, że możemy użyć impulsu laserowego do zmiany zbiorowej orientacji spinów” – mówi dr Olivier Huber. student ETH, który eksperymenty przeprowadził wraz ze swoim kolegą Kilianem Kuhlbrodtem i Tomaszem Smoleńskim. Kilka lat temu robiono to już dla pojedynczych elektronów, ale teraz osiągnięto „przełączenie”, czyli zmianę polaryzacji całego ferromagnetyka.
„To przełączanie było trwałe, a poza tym topologia wpływa na dynamikę przełączania” – mówi Smoleński.
Odkryj najnowsze osiągnięcia nauki, technologii i kosmosu dzięki over100 000 abonentówktórzy codziennie korzystają z witryny Phys.org. Zapisz się na nasz bezpłatny biuletyn i otrzymuj aktualizacje na temat przełomowych, innowacyjnych i ważnych badań-codziennie lub co tydzień.
Subskrybować
Dynamiczne sterowanie ferromagnetykiem
W ten sposób impuls lasera można wykorzystać także do wykreślenia nowych linii granicznych, wewnątrz których umiejscowiony jest topologiczny stan ferromagnetyczny. Można to robić wielokrotnie, dzięki czemu możliwa jest dynamiczna kontrola właściwości topologicznych i ferromagnetycznych.
Aby wykazać, że maleńki ferromagnes o wielkości zaledwie kilku mikrometrów faktycznie zmienił swoją polaryzację, badacze zmierzyli odbicie drugiej, znacznie słabszej wiązki lasera. Odbicie to ujawniło orientację spinów elektronów.
„W przyszłości będziemy mogli wykorzystać naszą metodę do optycznego zapisu dowolnych i adaptowalnych obwodów topologicznych na chipie” – mówi Smoleński. Podejście to można następnie wykorzystać do stworzenia małych interferometrów, za pomocą których można mierzyć niezwykle małe pola elektromagnetyczne.
