Forskare vid universitetet i Basel och ETH i Zürich har lyckats ändra polariteten hos en speciell ferromagnet med hjälp av en laserstråle. I framtiden skulle denna metod kunna användas för att skapa anpassningsbara elektroniska kretsar med ljus.
I en ferromagnet verkar kombinerade krafter. För att en kompassnål ska peka norrut eller att en kylskåpsmagnet ska fästa vid kylskåpsdörren, snurrar otaliga elektroner inuti dem, som var och en bara skapar ett litet magnetfält, alla måste radas upp i samma riktning. Detta sker genom interaktioner mellan spinnen, som måste vara starkare än den oordnade termiska rörelsen inuti ferromagneten. Om temperaturen på materialet är under ett kritiskt värde blir det ferromagnetiskt.
Omvänt, för att ändra polariteten hos en ferromagnet behöver man vanligtvis först värma upp den över dess kritiska temperatur. Elektronsnurren kan sedan omorientera sig själva, och efter avkylning pekar ferromagnetens magnetfält så småningom i en annan riktning.
Ett team av forskare ledda av Prof. Dr. Tomasz Smoleński vid universitetet i Basel och Prof. Dr. Ataç Imamoğlu vid ETH i Zürich har nu lyckats åstadkomma en sådan om-orientering med enbart ljus-utan någon uppvärmning. De publicerade sina resultat iNatur.
Interaktioner och topologi
"Det som är spännande med vårt arbete är att vi kombinerar de tre stora ämnena i modern kondenserad materiens fysik i ett enda experiment: stark interaktion mellan elektronerna, topologi och dynamisk kontroll", säger Imamoğlu.
För att uppnå detta använde forskarna ett speciellt material bestående av två wafer-tunna lager av den organiska halvledaren molybdenditelluride, som är något vridna i förhållande till varandra.
I sådana material kan så-topologiska tillstånd bildas. Enkelt uttryckt kan topologiska tillstånd karakteriseras utifrån hur de ser ut: en boll (inget hål) eller en munk (ett hål). Viktigt är att en boll inte kan förvandlas till en munk genom en enkel deformation, vilket innebär att topologiska tillstånd är otvetydigt och permanent definierade.
I de nya experimenten-som övervakas av Smoleński och Imamoğlu kunde elektronerna ställas in mellan sådana topologiska tillstånd som är isolerande och metalliska tillstånd som leder. Anmärkningsvärt nog gör interaktioner att elektronsnurrarna i båda tillstånden riktas parallellt med varandra, vilket gör materialet till en ferromagnet.
"Vårt huvudresultat är att vi kan använda en laserpuls för att ändra den kollektiva orienteringen av snurrorna", säger Olivier Huber, doktor. student vid ETH, som genomförde experimenten tillsammans med sin kollega Kilian Kuhlbrodt och Tomasz Smoleński. För några år sedan hade detta redan gjorts för enstaka elektroner, men nu har "växlingen" eller polaritetsändringen av hela ferromagneten uppnåtts.
"Denna växling var permanent och dessutom påverkar topologin växlingsdynamiken", säger Smoleński.
Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymd med över100 000 prenumerantersom förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Registrera dig för vårt kostnadsfria nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något-dagligen eller veckovis.
Prenumerera
Dynamisk styrning av ferromagneten
På så sätt kan laserpulsen också användas för att rita nya gränslinjer, inom vilka det topologiska ferromagnetiska tillståndet är beläget. Detta kan göras upprepade gånger, så att en dynamisk kontroll av de topologiska och ferromagnetiska egenskaperna är möjlig.
För att visa att den lilla ferromagneten, som bara är några mikrometer stor, faktiskt hade ändrat sin polaritet, mätte forskarna reflektionen av en andra, mycket svagare laserstråle. Denna reflektion avslöjade orienteringen av elektronsnurrarna.
"I framtiden kommer vi att kunna använda vår metod för att optiskt skriva godtyckliga och anpassningsbara topologiska kretsar på ett chip", säger Smoleński. Detta tillvägagångssätt kan sedan användas för att skapa små interferometrar, med vilka extremt små elektromagnetiska fält kan mätas.
