Wetenschappers hebben een nieuwe manier ontdekt om magneten te manipuleren met laserlichtpulsen die korter zijn dan een biljoenste van een seconde.

Het internationale team van onderzoekers, onder leiding van Lancaster en Radboud Universiteiten, identificeerde ook de lichtgolflengte of -kleur die de meest efficiënte manipulatie mogelijk maakt. De bevinding is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Magneten fascineren mensen al sinds de oudheid, maar tot honderd jaar geleden bleef het theoretische begrip van magnetisme erg ongrijpbaar. De doorbraak in het begrip vond plaats met de ontwikkeling van de kwantummechanica en de ontdekking van het feit dat elk elektron een intrinsiek magnetisch moment of spin heeft.

De spin kan worden gezien als een elementaire "kompasnaald, meestal afgebeeld als een pijl die de richting van de noord- naar de zuidpool aangeeft. In magneten zijn alle spins in dezelfde richting uitgelijnd door de kracht die uitwisselingsinteractie wordt genoemd. De uitwisselingsinteractie is een van de sterkste kwantumeffecten die verantwoordelijk is voor het bestaan ​​van magnetische materialen.

De kracht van de uitwisselingsinteractie kan worden gewaardeerd door het feit dat het magnetische velden genereert 10, 000 keer sterker dan het aardmagnetisch veld. Een andere manifestatie van zijn kracht is het feit dat het spins kan laten draaien met een periode van een biljoenste van een seconde en zelfs sneller.

Het manipuleren van de uitwisselingsinteractie zou de meest efficiënte en uiteindelijk snelste manier zijn om magnetisme te beheersen. Om dit resultaat te bereiken, de onderzoekers gebruikten de snelste en sterkste stimulus die beschikbaar was:ultrakorte laserpulsexcitatie.

Echter, om het effect van licht op magnetisme te detecteren/waarnemen zou men een ultrasnelle magnetometer nodig hebben - een apparaat dat in staat zou zijn om de dynamiek van spins te volgen met een resolutie van minder dan een biljoenste van een seconde. Dit is veel sneller dan de temporele resolutie van moderne elektronica.

Maar de auteurs hebben een oplossing voor dit probleem gevonden, zoals hoofdonderzoeker Dr. Rostislav Mikhaylovskiy van de Universiteit van Lancaster uitlegt:"De spins oscilleren op Terahertz-frequenties die bijna een biljoen keer sneller zijn dan de standaard hoogspanningslijnfrequentie van 50 Hz. Dankzij zulke hoge oscillatiefrequenties, de spins werken als efficiënte antennes die elektromagnetische straling uitzenden. Door de eigenschappen van de uitgezonden straling te analyseren, kunnen we informatie extraheren over de ultrasnelle magnetisatiedynamiek die wordt veroorzaakt door de optische sturing van de uitwisselingskrachten."

Door de kleur van de excitatielaserpulsen systematisch te variëren van rood naar blauw, de wetenschappers konden de lichtgolflengte identificeren waarvoor het effect van licht op magnetisme het sterkst is.

Dr. Mikhaylovskiy zei:"Het was heel belangrijk om te zien dat het effect van licht op de uitwisselingsinteractie echt bestaat. Door de golflengte of kleur van licht af te stemmen, begonnen we te begrijpen hoe we dit effect konden versterken."

Deze opwindende ontdekking opent een nieuwe onderzoekslijn aan de Lancaster University onder leiding van Dr. Mikhaylovskiy. De volgende stap is om systematische studies uit te voeren naar de ultrasnelle controle van magnetisme in een breed spectraal bereik, om de efficiëntie van het pompen in de verre, midden-infrarood en zichtbaar bereik en zo de meest efficiënte en snelste benadering voor het manipuleren van spins te identificeren. Hiertoe is een nieuw lasersysteem in gebruik genomen dat in al deze frequentiebereiken laserpulsen kan produceren.