Wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en het Massachusetts Institute of Technology hebben een verrassend eenvoudige manier aangetoond om een ​​materiaal van de ene staat naar de andere te verplaatsen. en dan weer terug, met enkele flitsen van laserlicht.

Dit schakelgedrag is vergelijkbaar met wat er gebeurt in magnetische gegevensopslagmaterialen, en de overstap met laserlicht zou een nieuwe manier kunnen bieden om informatie te lezen en te schrijven in gegevensopslagapparaten van de volgende generatie, onder andere ongekende toepassingen, zegt Nuh Gedik, hoofdonderzoeker van de studie aan het MIT. Het team rapporteerde vandaag hun resultaten in wetenschappelijke vooruitgang .

Bevroren golven van elektronen

In de apparaten van vandaag, informatie wordt opgeslagen en opgehaald door de spin van elektronen om te draaien met een magnetisch veld. "Maar hier hebben we een andere materiaaleigenschap omgedraaid die bekend staat als ladingsdichtheidsgolven, " zegt Alfred Zong, een afgestudeerde student in de groep van Gedik en een van de hoofdauteurs van de studie.

Ladingsdichtheidsgolven zijn periodieke pieken en dalen in de manier waarop elektronen in een materiaal worden verdeeld. Ze zijn onbeweeglijk, als ijzige golven op een bevroren meer. Wetenschappers willen meer weten over deze golven omdat ze vaak samengaan met andere interessante materiaaleigenschappen, zoals het vermogen om elektriciteit zonder verlies te geleiden bij relatief hoge temperaturen, en kan mogelijk verband houden met die eigenschappen.

De nieuwe studie richtte zich op tantaaldisulfide, een materiaal met ladingsdichtheidsgolven die allemaal in dezelfde richting zijn georiënteerd in wat de alfastaat wordt genoemd. Toen de onderzoekers een dun kristal van het materiaal zapten met een zeer korte laserpuls, een deel van de golven sloeg om in een bètatoestand met een andere elektronenoriëntatie, en de alfa- en bètaregio's werden gescheiden door domeinwanden. Een tweede lichtflits loste de domeinwanden op en bracht het materiaal terug in zijn pure alfastaat.

Verrassende materiële schakelaar

Deze veranderingen in het materiaal, die nog nooit eerder was gezien, werden gedetecteerd met SLAC's instrument voor ultrasnelle elektronendiffractie (UED), een snelle "elektronencamera" die de bewegingen van de atomaire structuur van een materiaal meet met een krachtige straal van zeer energetische elektronen.

"We waren op zoek naar andere effecten in ons experiment, dus we waren totaal verrast toen we zagen dat we domeinmuren kunnen schrijven en wissen met enkele lichtpulsen, " zegt Xijie Wang, hoofd van de UED-groep van SLAC.

Anshul Kogar, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Gedik, zegt, "De domeinmuren zijn een bijzonder interessant kenmerk omdat ze eigenschappen hebben die verschillen van de rest van het materiaal." Bijvoorbeeld, ze kunnen een rol spelen in de drastische verandering die wordt gezien in de elektrische weerstand van tantaaldisulfide wanneer het wordt blootgesteld aan ultrakorte lichtpulsen, die eerder werd waargenomen door een andere groep.

SLAC-stafwetenschapper Xiaozhe Shen, een van de hoofdauteurs van het onderzoek in het team van Wang, zegt, "UED stelde ons in staat om in detail te analyseren hoe de domeinen zich in de loop van de tijd hebben gevormd, hoe groot ze waren en hoe ze in het materiaal werden verspreid."

De onderzoekers ontdekten ook dat ze het proces kunnen verfijnen door de temperatuur van het kristal en de energie van de lichtpuls aan te passen, waardoor ze controle hebben over de materiële schakelaar. In een volgende stap, het team wil nog meer controle krijgen, bijvoorbeeld door de lichtpuls zo vorm te geven dat hij bepaalde domeinpatronen in het materiaal kan genereren.

"Het feit dat we een materiaal op een heel eenvoudige manier kunnen afstemmen, lijkt erg fundamenteel, ", zegt Wang. "Zo fundamenteel, in feite, dat het een belangrijke stap zou kunnen zijn in de richting van het gebruik van licht bij het creëren van de exacte materiaaleigenschappen die we willen."