Det er lykkedes forskere ved universitetet i Basel og ETH i Zürich at ændre polariteten af en speciel ferromagnet ved hjælp af en laserstråle. I fremtiden vil denne metode kunne bruges til at skabe tilpasningsdygtige elektroniske kredsløb med lys.
I en ferromagnet er kombinerede kræfter på arbejde. For at en kompasnål kan pege mod nord, eller en køleskabsmagnet kan klæbe til køleskabsdøren, spinder utallige elektroner inde i dem, som hver især kun skaber et lille magnetfelt, som alle skal opstilles i samme retning. Dette sker gennem interaktioner mellem spins, som skal være stærkere end den uordnede termiske bevægelse inde i ferromagneten. Hvis materialets temperatur er under en kritisk værdi, bliver det ferromagnetisk.
Omvendt, for at ændre polariteten af en ferromagnet, skal man normalt først varme den op over dens kritiske temperatur. Elektronspindene kan så reorientere sig selv, og efter afkøling peger ferromagnetens magnetfelt til sidst i en anden retning.
Et team af forskere ledet af prof. dr. Tomasz Smoleński ved universitetet i Basel og prof. dr. Ataç Imamoğlu ved ETH i Zürich har nu formået at skabe en sådan re-orientering ved kun at bruge lys-uden opvarmning. De offentliggjorde deres resultater iNatur.
Interaktioner og topologi
"Det spændende ved vores arbejde er, at vi kombinerer de tre store emner i moderne kondenseret stoffysik i et enkelt eksperiment: stærk interaktion mellem elektronerne, topologi og dynamisk kontrol," siger Imamoğlu.
For at opnå dette brugte forskerne et specielt materiale bestående af to wafer-tynde lag af den organiske halvleder molybdæn ditelluride, som er let snoet i forhold til hinanden.
I sådanne materialer kan der dannes så-topologiske tilstande. Enkelt sagt kan topologiske tilstande karakteriseres ud fra, hvordan de ser ud: en bold (ingen hul) eller en doughnut (et hul). Det er vigtigt, at en bold ikke kan forvandles til en doughnut ved en simpel deformation, hvilket betyder, at topologiske tilstande er utvetydigt og permanent defineret.
I de nye eksperimenter,-overvåget af Smoleński og Imamoğlu, kunne elektronerne tunes mellem sådanne topologiske tilstande, der er isolerende, og metalliske tilstande, der er ledende. Det er bemærkelsesværdigt, at interaktioner får elektronspin i begge tilstande til at justere parallelt med hinanden, hvilket gør materialet til en ferromagnet.
"Vores hovedresultat er, at vi kan bruge en laserpuls til at ændre den kollektive orientering af spindene," siger Olivier Huber, ph.d. studerende på ETH, som udførte forsøgene sammen med sin kollega Kilian Kuhlbrodt og Tomasz Smoleński. For et par år siden var dette allerede blevet gjort for enkelte elektroner, men nu er "skiftningen" eller polariteten af hele ferromagneten opnået.
"Denne kobling var permanent, og desuden påvirker topologien koblingsdynamikken," siger Smoleński.
Oplev det seneste inden for videnskab, teknologi og rum med over100.000 abonnentersom er afhængige af Phys.org for daglig indsigt. Tilmeld dig vores gratis nyhedsbrev og få opdateringer om gennembrud, innovationer og forskning, der betyder noget-dagligt eller ugentligt.
Abonner
Dynamisk styring af ferromagneten
På denne måde kan laserimpulsen også bruges til at tegne nye grænselinjer, inden for hvilke den topologiske ferromagnetiske tilstand er placeret. Dette kan gøres gentagne gange, således at en dynamisk kontrol af de topologiske og ferromagnetiske egenskaber er mulig.
For at vise, at den lille ferromagnet, som kun er et par mikrometer stor, faktisk havde ændret sin polaritet, målte forskerne refleksionen af en anden, meget svagere laserstråle. Denne refleksion afslørede orienteringen af elektronspindene.
"I fremtiden vil vi være i stand til at bruge vores metode til optisk at skrive vilkårlige og tilpasningsdygtige topologiske kredsløb på en chip," siger Smoleński. Denne tilgang kunne så bruges til at skabe små interferometre, med hvilke ekstremt små elektromagnetiske felter kan måles.
