Natuurkundigen van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) en het Niels Bohr Instituut in Kopenhagen, Denemarken, hebben een methode bedacht om met laserlicht van een niet-magnetisch metaal een magneet te maken.

Magneten en hun magnetische veld worden meestal geproduceerd door circulerende stromen, zoals die gevonden worden in alledaagse elektromagnetische spoelen. De 'handigheid' van deze spoelen - of ze nu met de klok mee of tegen de klok in zijn gewikkeld - bepaalt de richting van het geproduceerde magnetische veld.

De wetenschappers theoretiseren dat wanneer niet-magnetische metalen schijven worden verlicht door lineair gepolariseerd licht - licht dat zelf geen handigheid bezit - circulerende elektrische stromen en dus magnetisme spontaan in de schijf kan ontstaan.

Deze methode zou in principe non-ferrometalen "on-demand" kunnen omzetten in magneten met behulp van laserlicht.

De nieuwe theorie door assistent-professor Justin Song van NTU's School of Physical and Mathematical Sciences en universitair hoofddocent Mark Rudner van het Niels Bohr Institute, werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurfysica eerder deze maand.

Bij het formuleren van hun voorstel de wetenschappers ontwikkelden een nieuwe manier van denken over de interactie tussen licht en materie. Ze gebruikten een combinatie van potlood-en-papier berekeningen en numerieke simulaties om het te bedenken.

Asst Prof Song zei dat hun schema een voorbeeld is van hoe nieuwe sterke interacties tussen licht en materie kunnen worden gebruikt om 'on-demand' materiaaleigenschappen te creëren. Indien experimenteel gerealiseerd, dit zou een breed scala aan potentiële toepassingen openen voor een reeks hoogwaardige plasmonische materialen zoals grafeen.

Gebruik maken van plasmonische velden

De eigenschappen van veel materialen worden conventioneel als vast beschouwd, bepaald door de rangschikking van de atomen op nanoschaal. Bijvoorbeeld, de configuratie van atomen in een materiaal bepaalt of het gemakkelijk elektriciteit geleidt of een isolerend/niet-geleidend gedrag heeft.

Song en Rudner wilden onderzoeken hoe plasmonen - lokale oscillaties van lading in metalen - en de intense oscillerende elektrische velden die ze creëren, kan worden gebruikt om materiaaleigenschappen te wijzigen.

Zoals hoe licht uit fotonen bestaat, de plasma-oscillatie bestaat uit plasmonen, een soort quasideeltje. Plasmonen hebben de neiging te oscilleren en in dezelfde richting te bewegen als het veld dat het aandrijft (bijvoorbeeld polarisatierichting van het lichtveld).

Echter, de wetenschappers ontdekten dat wanneer de lichtinstraling sterk genoeg is, de plasmonen in een niet-magnetische metalen schijf kunnen spontaan links- of rechtshandig roteren, zelfs wanneer aangedreven door lineair gepolariseerd licht.

"Dit was een teken dat de intrinsieke eigenschappen van het materiaal waren veranderd, " zei Asst Prof Song. "We ontdekten dat wanneer de sterke interne velden van een plasmon de elektronische bandstructuur van een materiaal wijzigen, het ook het plasmon zou transformeren, het opzetten van een feedbacklus waardoor het plasmon spontaan een chiraliteit kan vertonen."

Deze chirale beweging van het plasmon produceerde een magnetisatie die vervolgens de niet-magnetische metalen schijf van hun schema maakte, magnetisch.

De wetenschappers zeggen dat de belangrijkste observatie in hun theoretische analyse is dat intense plasmonische oscillerende elektrische velden de dynamiek van de elektronen in het metaal kunnen wijzigen.

Universitair hoofddocent Rudner zei:"Vanuit het oogpunt van een elektron in een materiaal, een elektrisch veld is een elektrisch veld:het maakt niet uit of dit oscillerende veld werd geproduceerd door plasmonen in het materiaal zelf of door een laser die op het materiaal schijnt."

Song en Rudner gebruikten dit inzicht om theoretisch de omstandigheden aan te tonen waarin feedback van de interne velden van de plasmonen een instabiliteit in de richting van spontane magnetisatie in het systeem zou kunnen veroorzaken. Het team verwacht dat deze theoretische benadering kan worden gerealiseerd in een reeks hoogwaardige plasmonische materialen zoals grafeen.

Opkomend gedrag

Het idee om licht te gebruiken om de eigenschappen van een materiaal te veranderen heeft de laatste tijd veel wetenschappelijke aandacht gekregen. Echter, veel van de gepubliceerde voorbeelden doordrenken een materiaal met eigenschappen die aanwezig zijn in de lichtinstraling (bijvoorbeeld door een materiaal te bestralen met circulair gepolariseerd licht, een materiaal kan een chiraliteit of handigheid verwerven) of een eigenschap die al in het materiaal aanwezig was, kwantitatief verbeteren.

Song en Rudner's onderzoek, in tegenstelling tot deze benaderingen, veel verder is gegaan, ze zeggen.

"We ontdekten dat de plasmonen een soort 'afzonderlijk leven' of 'opkomst' kunnen krijgen met nieuwe eigenschappen die niet aanwezig waren in het metaal dat de plasmonen bevat of het lichtveld dat het aanstuurde, " Asst Prof Song toegevoegd. Het gedrag van het plasmon was emergent in de zin dat het de intrinsieke symmetrieën van zowel het lichtveld als het metaal verbrak.

Opkomend gedrag, waar het geheel meer is dan de som der delen, ontstaat wanneer veel deeltjes met elkaar interageren om op een collectieve manier te handelen. Het is verantwoordelijk voor een reeks nuttige fasen van materie, zoals ferromagneten en supergeleiders, die doorgaans worden geregeld door temperatuur. Het onderzoek van het team breidt dit idee uit naar plasmonen en stelt voor hoe het kan worden gecontroleerd door bestraling met licht.

"Op een dieper niveau, er zijn veel fundamentele vragen om te onderzoeken over de aard van het niet-evenwicht spontane symmetriebreking ("opkomst") die we voorspelden, " zei universitair hoofddocent Rudner.

Assistent Prof Lied, een National Research Foundation (NRF) Singapore-fellow, Akkoord, zeggen:"Misschien is de meest betekenisvolle boodschap van ons werk dat het laat zien dat collectieve modi verschillende nieuwe fasen kunnen vertonen. Als plasmonisch magnetisme mogelijk is, welke andere fasen van collectieve modi wachten om ontdekt te worden?"