Magnetische materialen zijn een steunpilaar geweest in de computertechnologie vanwege hun vermogen om informatie permanent in hun magnetische toestand op te slaan. De huidige technologieën zijn gebaseerd op ferromagneten, waarvan de toestanden gemakkelijk kunnen worden omgedraaid door magnetische velden. sneller, dichter, en robuustere apparaten van de volgende generatie zouden mogelijk worden gemaakt door een andere klasse materialen te gebruiken, bekend als antiferromagneten. Hun magnetische staat, echter, is notoir moeilijk te controleren.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksteam van de MPSD en de Universiteit van Oxford is erin geslaagd om een ​​prototypische antiferromagneet in een nieuwe magnetische toestand te drijven met behulp van terahertz-frequentielicht. Hun baanbrekende methode produceerde een effect dat orden van grootte groter was dan eerder bereikt, en op ultrasnelle tijdschalen. Het werk van het team is zojuist gepubliceerd in Natuurfysica .

De sterkte en richting van de 'noordpool' van een magneet wordt aangeduid met de zogenaamde magnetisatie. Bij ferromagneten, deze gemakkelijk omkeerbare magnetisatie kan een 'beetje' informatie vertegenwoordigen, waardoor ze de materialen bij uitstek zijn voor op magneten gebaseerde technologieën. Maar ferromagneten werken traag en reageren op verdwaalde magnetische velden, wat betekent dat ze gevoelig zijn voor fouten en niet erg dicht op elkaar kunnen worden gepakt.

Antiferromagneten vormen een spannend alternatief. In tegenstelling tot ferromagneten, ze hebben geen macroscopische magnetisatie, omdat ze bestaan ​​uit afwisselend op en neer wijzende 'magnetische momenten, ' zoals staafmagneten ter grootte van een atoom die van richting veranderen van het ene atoom naar het andere. Ze worden niet sterk beïnvloed door magnetische velden, waardoor ze robuust zijn voor informatieopslag en ze kunnen worden geschaald naar veel kleinere formaten. In aanvulling, ze zouden sneller kunnen reageren dan de huidige apparaten, met frequenties tot enkele terahertz. De uitdaging voor onderzoekers is om manieren te vinden om de magnetische toestand van een antiferromagneet op betrouwbare wijze te veranderen.

In hun nieuwe krant het onderzoeksteam van MPSD/Oxford volgde een nieuwe aanpak, onderzoeken hoe de magnetische toestand van een antiferromagneet wordt beïnvloed door zijn kristalstructuur. Ze maakten gebruik van een eigenschap van sommige antiferromagneten, piëzomagnetisme genaamd, waar een verandering in de atomaire structuur leidt tot een magnetisatie, net als in een ferromagneet. Deze verandering wordt meestal bereikt door een uniaxiale druk toe te passen, maar dit is een langzaam proces dat het kristal kan breken.

In plaats van druk, het team gebruikte licht om het piëzomagnetische effect in CoF . te beheersen ₂ . De methode, afkomstig van de groep in Hamburg in 2011, is gebaseerd op opwindende roostertrillingen, of "fononen, " met zorgvuldig op maat gemaakte lichtpulsen. Door de frequentie en polarisatie van de lichtpulsen af ​​te stemmen, ze zouden dezelfde structurele vervormingen kunnen veroorzaken die aanleiding geven tot piëzomagnetisme zonder het kristal te hoeven spannen - een experimenteel idee voorgesteld door co-auteur Paolo Radaelli van de Universiteit van Oxford tijdens een bezoek aan de MPSD in 2018.

Met deze innovatieve techniek konden de onderzoekers een magnetisatie creëren die 400 keer groter was dan eerder werd bereikt. Opvallend, het duurde slechts ongeveer 100 ps voordat de magnetisatie zich ontwikkelde en de richting van de magnetisatie kon worden omgekeerd door de polarisatie van het licht te veranderen. De resultaten vertegenwoordigen een grote vooruitgang in de optische controle van de eigenschappen van materialen.

Hoofdauteur Ankit Disa zegt:"Dit experiment was de eerste demonstratie van het 'rationeel' of 'opzettelijk' construeren van een kristalstructuur met licht. We wisten welk type structurele vervorming nodig was om een ​​faseovergang te creëren van een antiferromagneet naar een ferromagneet -achtige toestand. De truc was om te begrijpen hoe licht te gebruiken om het materiaal in deze nieuwe kristalstructuur te drijven."

Andrea Cavalleri, die het experimentele team leidde bij de MPSD en betrokken is bij het excellentiecluster CUI:Advanced Imaging of Matter, ziet enorm potentieel in het gebruik van licht om de eigenschappen van materialen te controleren:"Deze techniek zou kunnen leiden tot optomagnetische schakelaars, bijvoorbeeld, om herinneringen te maken die met licht kunnen worden geschreven en gelezen. Meer fundamenteel, we hebben nu de tools en het begrip om de structuur van materialen op atomaire schaal optisch te construeren, die kan worden toegepast om functionaliteiten in vele soorten systemen te manipuleren, van magneten tot ferro-elektriciteit tot supergeleiders."