Onderzoekers van de Universiteit van Basel en de ETH in Zürich zijn erin geslaagd de polariteit van een speciale ferromagneet te veranderen met behulp van een laserstraal. In de toekomst zou deze methode kunnen worden gebruikt om aanpasbare elektronische circuits met licht te creëren.
In een ferromagneet werken gecombineerde krachten. Om ervoor te zorgen dat een kompasnaald naar het noorden wijst of een koelkastmagneet aan de koelkastdeur blijft plakken, draaien er talloze elektronen in, die elk slechts een klein magnetisch veld creëren, en die allemaal in dezelfde richting moeten staan. Dit gebeurt door interacties tussen de spins, die sterker moeten zijn dan de ongeordende thermische beweging in de ferromagneet. Als de temperatuur van het materiaal onder een kritische waarde komt, wordt het ferromagnetisch.
Omgekeerd, om de polariteit van een ferromagneet te veranderen, moet je hem meestal eerst opwarmen tot boven zijn kritische temperatuur. De elektronenspins kunnen zich dan heroriënteren en na afkoeling wijst het magnetische veld van de ferromagneet uiteindelijk een andere kant op.
Een team van onderzoekers onder leiding van prof. dr. Tomasz Smoleński aan de Universiteit van Basel en prof. dr. Ataç Imamoğlu aan de ETH in Zürich is er nu in geslaagd een dergelijke heroriëntatie tot stand te brengen met alleen licht-zonder enige verwarming. Ze publiceerden hun resultaten inNatuur.
Interacties en topologie
"Het opwindende aan ons werk is dat we de drie grote onderwerpen in de moderne fysica van de gecondenseerde materie in één experiment combineren: sterke interacties tussen de elektronen, topologie en dynamische controle", zegt Imamoğlu.
Om dit te bereiken gebruikten de onderzoekers een speciaal materiaal dat bestaat uit twee flinterdunne lagen van de organische halfgeleider molybdeenditelluride, die lichtjes ten opzichte van elkaar zijn gedraaid.
In dergelijke materialen kunnen zogenaamde topologische toestanden ontstaan. Simpel gezegd kunnen topologische toestanden worden gekarakteriseerd op basis van hoe ze eruit zien: een bal (geen gat) of een donut (één gat). Belangrijk is dat een bal niet door een simpele vervorming in een donut kan worden veranderd, wat betekent dat topologische toestanden ondubbelzinnig en permanent gedefinieerd zijn.
In de nieuwe experimenten onder mede-supervisie van Smoleński en Imamoğlu kunnen de elektronen worden afgestemd tussen topologische toestanden die isolerend zijn en metaalachtige toestanden die geleiden. Opmerkelijk is dat interacties ervoor zorgen dat de elektronenspins in beide toestanden parallel aan elkaar worden uitgelijnd, waardoor het materiaal in een ferromagneet verandert.
"Ons belangrijkste resultaat is dat we een laserpuls kunnen gebruiken om de collectieve oriëntatie van de spins te veranderen", zegt Olivier Huber, een Ph.D. student aan de ETH, die de experimenten samen met zijn collega Kilian Kuhlbrodt en Tomasz Smoleński uitvoerde. Een paar jaar geleden werd dit al gedaan voor afzonderlijke elektronen, maar nu is het "schakelen" of de polariteitsverandering van de gehele ferromagneet bereikt.
"Deze schakeling was permanent en bovendien beïnvloedt de topologie de schakeldynamiek", zegt Smoleński.
Ontdek het nieuwste op het gebied van wetenschap, technologie en ruimtevaart met over100.000 abonneesdie op Phys.org vertrouwen voor dagelijkse inzichten. Meld u aan voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek dat er toe doet-dagelijks of wekelijks.
Abonneren
Dynamische controle van de ferromagneet
Op deze manier kan de laserpuls ook worden gebruikt om nieuwe grenslijnen te tekenen, waarbinnen de topologische ferromagnetische toestand zich bevindt. Dit kan herhaaldelijk worden gedaan, zodat een dynamische controle van de topologische en ferromagnetische eigenschappen mogelijk is.
Om aan te tonen dat de kleine ferromagneet, die slechts enkele micrometers groot is, daadwerkelijk van polariteit was veranderd, maten de onderzoekers de reflectie van een tweede, veel zwakkere laserstraal. Deze reflectie onthulde de oriëntatie van de elektronenspins.
"In de toekomst zullen we onze methode kunnen gebruiken om optisch willekeurige en aanpasbare topologische circuits op een chip te schrijven", zegt Smoleński. Deze aanpak zou vervolgens kunnen worden gebruikt om kleine interferometers te maken, waarmee extreem kleine elektromagnetische velden kunnen worden gemeten.
