Forskere ved Universitetet i Basel og ETH i Zürich har lykkes med å endre polariteten til en spesiell ferromagnet ved hjelp av en laserstråle. I fremtiden kan denne metoden brukes til å lage tilpasningsdyktige elektroniske kretser med lys.
I en ferromagnet virker kombinerte krefter. For at en kompassnål skal peke nordover eller en kjøleskapsmagnet skal feste seg til kjøleskapsdøren, spinner utallige elektroner inni dem, som hver enkelt bare skaper et bitte lite magnetfelt, alle må stille seg i samme retning. Dette skjer gjennom interaksjoner mellom spinnene, som må være sterkere enn den uordnede termiske bevegelsen inne i ferromagneten. Hvis temperaturen på materialet er under en kritisk verdi, blir det ferromagnetisk.
Omvendt, for å endre polariteten til en ferromagnet, må man vanligvis først varme den opp over dens kritiske temperatur. Elektronspinnene kan da reorientere seg, og etter avkjøling peker magnetfeltet til ferromagneten til slutt i en annen retning.
Et team av forskere ledet av Prof. Dr. Tomasz Smoleński ved Universitetet i Basel og Prof. Dr. Ataç Imamoğlu ved ETH i Zürich har nå klart å få til en slik re-orientering med kun lys-uten oppvarming. De publiserte resultatene sine iNatur.
Interaksjoner og topologi
"Det som er spennende med arbeidet vårt er at vi kombinerer de tre store temaene i moderne fysikk av kondensert materie i et enkelt eksperiment: sterke interaksjoner mellom elektronene, topologi og dynamisk kontroll," sier Imamoğlu.
For å oppnå dette brukte forskerne et spesielt materiale som består av to wafer-tynne lag av den organiske halvlederen molybdenditelluride, som er litt vridd i forhold til hverandre.
I slike materialer kan det dannes såkalte-topologiske tilstander. Enkelt sagt kan topologiske tilstander karakteriseres basert på hvordan de ser ut: en ball (ingen hull) eller en smultring (ett hull). Viktigere, en ball kan ikke gjøres om til en smultring ved en enkel deformasjon, noe som betyr at topologiske tilstander er utvetydig og permanent definert.
I de nye eksperimentene -overvåket av Smoleński og Imamoğlu, kunne elektronene stilles inn mellom slike topologiske tilstander som er isolerende og metalliske tilstander som leder. Bemerkelsesverdig nok fører interaksjoner til at elektronspinnene i begge tilstander justeres parallelt med hverandre, og gjør materialet om til en ferromagnet.
"Vårt hovedresultat er at vi kan bruke en laserpuls til å endre den kollektive orienteringen av spinnene," sier Olivier Huber, en Ph.D. student ved ETH, som utførte forsøkene sammen med sin kollega Kilian Kuhlbrodt og Tomasz Smoleński. For noen år siden var dette allerede gjort for enkeltelektroner, men nå er "bytte" eller endring av polaritet til hele ferromagneten oppnådd.
"Denne byttet var permanent, og dessuten påvirker topologien byttedynamikken," sier Smoleński.
Oppdag det siste innen vitenskap, teknologi og romfart med over100 000 abonnentersom stoler på Phys.org for daglig innsikt. Registrer deg for vårt gratis nyhetsbrev og få oppdateringer om gjennombrudd, innovasjoner og forskning som betyr noe-daglig eller ukentlig.
Abonner
Dynamisk kontroll av ferromagneten
På denne måten kan laserpulsen også brukes til å tegne nye grenselinjer, innenfor hvilke den topologiske ferromagnetiske tilstanden befinner seg. Dette kan gjøres gjentatte ganger, slik at en dynamisk kontroll av de topologiske og ferromagnetiske egenskapene er mulig.
For å vise at den lille ferromagneten, som bare er noen få mikrometer stor, faktisk hadde endret polaritet, målte forskerne refleksjonen av en andre, mye svakere laserstråle. Denne refleksjonen avslørte orienteringen til elektronspinnene.
"I fremtiden vil vi kunne bruke metoden vår til å optisk skrive vilkårlige og tilpasningsdyktige topologiske kretser på en brikke," sier Smoleński. Denne tilnærmingen kan deretter brukes til å lage små interferometre, som ekstremt små elektromagnetiske felt kan måles med.
