De productie van apparaten om informatie op te slaan of te verzenden is een van de meest voorkomende technologische toepassingen van magnetisme. Een experimentele en theoretische studie uitgevoerd aan het Physics Institute (IF-USP) van de Universiteit van São Paulo in Brazilië heeft een ultrasnelle manier ontdekt om materie te magnetiseren met minimaal energieverbruik.

Met behulp van een techniek genaamd magnetisatie door licht, de onderzoekers magnetiseerden een monster van europiumselenide (EuSe) in 50 picoseconden met een 50 watt-lamp op een paar centimeter afstand. Een picoseconde is een biljoenste van een seconde.

Een artikel waarin het experiment wordt beschreven, getiteld "Ultrasnelle lichtschakeling van ferromagnetisme in EuSe, " is onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Het experiment werd uitgevoerd door André Bohomoletz Henriques, een hoogleraar bij IF-USP, en medewerkers met steun van de São Paulo Research Foundation-FAPESP.

"Ons doel was om nieuwe mechanismen te vinden om het magnetisme van materialen in een ultrakorte tijdschaal te veranderen met alleen licht. De nieuwigheid van ons onderzoek is dat het zeer sterke magnetisatie mogelijk maakt met zeer kleine hoeveelheden licht, ' zei Henriques.

Het proces is experimenteel afgeleid aan het Magneto-Optics Laboratory van de Universiteit van São Paulo, maar het interpreteren van het fenomeen vergde veel theoretisch werk, met procedures zoals zelfconsistente kwantummechanische berekeningen en Monte Carlo-simulaties, van de kant van de groep onder leiding van Henriques.

De magnetisatie van een materiaal wordt geassocieerd met de ruimtelijke ordening van de spins van de samenstellende deeltjes. In een niet-gemagnetiseerd materiaal, de spins van zijn atomen (als gevolg van de spins van zijn elektronen) zijn ongeordend. Omdat er vectormagnitude bij betrokken is, de spin van elk atoom wijst in een willekeurige richting. In bepaalde situaties, deze spins kunnen worden besteld door licht, die, als resultaat, kan een aanvankelijk ongeordend materiaal volledig magnetiseren. De afbeelding hierboven illustreert het proces van magnetisatie door licht.

Het materiaal dat voor het experiment werd gekozen was het halfgeleider europium selenide (EuSe), waarin elk foton de spins van 6 bestelde, 000 elektronen.

"Dit gebeurt omdat wanneer een foton interageert met een elektron, het verandert een toestand die zich sterk in het atoom bevindt in een toestand die zich uitstrekt tot vele atomen, Henriques legde uit. "Het resultaat is dat in een buitengewoon korte tijd, ongeveer 50 picoseconden, alle atomen binnen het bereik van de golffunctie van het elektron schakelen hun spins in een gemeenschappelijke richting, het creëren van een superreusachtig magnetisch moment dat 6 nadert, 000 Bohr-magnetons. Dat is gelijk aan het magnetische moment van 6, 000 elektronen met spins die allemaal in dezelfde richting wijzen. Het resultaat, als onverwacht en spectaculair beschouwd door peer reviewers voor Physical Review Letters, was dat met een enkel foton, we waren in staat om de spins van 6 uit te lijnen, 000 elektronen."

Spin wordt in de volksmond begrepen als de rotatie van een deeltje rond een as, maar deze opvatting komt niet overeen met de werkelijkheid en dient alleen als een weergave van een deeltje dat is geassocieerd met een elektrische stroom die equivalent is aan een magnetisch moment.

Deeltjes hebben niet alleen traagheidsmassa en elektrische lading, maar ook een derde fysieke eigenschap die spin wordt genoemd. Dit pand, gekenmerkt als een vector (d.w.z. een fysieke grootheid met grootte en richting), beschrijft het magnetische moment van het deeltje. Als een kompasnaald, die in een noord-zuid richting is georiënteerd door de aantrekkingskracht van het aardmagnetisch veld omdat het een magnetisch moment heeft, De spin van een deeltje heeft ook de neiging om te wijzen in de richting van het magnetische veld dat erop inwerkt.

"Om europiumselenide te magnetiseren, het foton moet voldoende energie hebben om een ​​elektron van een baan heel dicht bij de atoomkern over te brengen naar een verre baan in de geleidingsband. Als gevolg van deze overdracht, het elektron interageert magnetisch met duizenden nabijgelegen atomen. De interactie tussen het magnetische moment van het elektron en de magnetische momenten van de nabijgelegen atomen brengt al hun spins op één lijn, " zei de door FAPESP ondersteunde onderzoeker.

Anti-ferromagnetische interactie

Er werd gekozen voor Europiumselenide vanwege zijn hoge magnetische gevoeligheid, wat resulteert in de sterke neiging van atoomspins om uit te lijnen onder invloed van een zeer klein magnetisch veld.

"Naast de magnetische interactie tussen het elektron en de europiumatomen, er is ook magnetische interactie tussen de europium-atomen zelf. Interactie tussen eerste buren is ferromagnetisch; met andere woorden, het bevordert uitlijning in dezelfde richting. Maar interactie tussen tweede buren is anti-ferromagnetisch en bevordert uitlijning in tegengestelde richtingen, ' zei Henriques.

"Deze twee interacties heffen elkaar bijna op. Eigenlijk, de anti-ferromagnetische interactie overheerst zo ongeveer. Om deze reden, onder normale omstandigheden, het materiaal bevindt zich in de anti-ferromagnetische toestand, zonder magnetisme. Echter, elke kleine storing, zoals de aanwezigheid van een elektron, kan dit delicate evenwicht van interacties verstoren en de ferromagnetische toestand begunstigen, d.w.z. de uitlijning van alle spins in het kristal in dezelfde richting, het materiaal vrijwel onmiddellijk magnetiseren."

Er zijn verschillende vormen van magnetische interactie. De bekendste vorm is dipolaire interactie, die de aantrekkingskracht tussen twee magneten kenmerkt, maar er is ook uitwisselingsinteractie, die veel sterker is en het magnetisme van een kompasnaald of koelkastmagneet beïnvloedt.

Uitwisselingsinteractie is elektrostatisch van oorsprong en vormt een kwantumfenomeen dat is afgeleid van het Pauli-uitsluitingsprincipe, die geen analogie heeft in de klassieke natuurkunde. Dit proces maakt ultrasnelle magnetisatie door licht mogelijk met minimaal energieverbruik.

Hoewel ze deze studie strikt als fundamenteel onderzoek hebben uitgevoerd, Henriques en zijn team zijn zich bewust van de potentiële technologische toepassingen in de context van de snel voortschrijdende elektronica-industrie. Volgens een redactioneel artikel gepubliceerd in maart 2018 in het tijdschrift Natuurfysica , de manipulatie van magnetisme in anti-ferromagnetische materialen zoals europiumselenide is een opkomend onderzoeksgebied met veelbelovend potentieel voor toepassing in elektronische apparaten.