Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) is erin geslaagd de magnetische toestand van een magnetisch materiaal te manipuleren door het optisch te schudden. Het hele proces gebeurt in een extreem kort tijdsbestek van minder dan een paar picoseconden. In tijden van stagnerende efficiëntietrends van de huidige technologie, zo'n atomair aangedreven ultrasnelle beheersing van magnetisme opent brede nieuwe perspectieven voor informatietechnologie. De resultaten, die zijn gepubliceerd in Natuurmaterialen , zou uiteindelijk kunnen leiden tot snelle en energiezuinige gegevensverwerkingstechnologieën, die essentieel zijn om onze datahonger bij te houden.

Volgens Dick Tracy - een beroemde stripheld die zijn debuut maakte in 1931 - zal de natie die het magnetisme beheerst het universum beheersen. Men kan stellen dat, vandaag, dit idee klinkt een stuk geloofwaardiger dan het toen deed. Magnetische materialen worden veel gebruikt in het moderne leven, met toepassingen variërend van koelkastmagneten tot datacenters van Big Tech, die ze gebruiken om informatie op te slaan.

Kristalrooster en magnetisme

Onze steeds groeiende vraag naar gegevensverwerking vraagt ​​om nieuwe methoden om de toestand van magnetische materialen op korte tijdschalen te manipuleren en te controleren. Deze materialen bevatten biljoenen onderling uitgelijnde elementaire magnetische momenten, genaamd spins, waarvan de rangschikking voornamelijk wordt bepaald door de rangschikking van de atomen in het kristalrooster. Daarom, de meest natuurlijke route naar controle van de magnetische toestand is om de kristalconfiguratie te veranderen.

Er is normaal gesproken een hoge mechanische druk nodig om de magnetische eigenschappen voldoende te beïnvloeden, wat kan worden bereikt door het gebruik van een grote hydraulische pers. Echter, het aanbrengen van een mechanische belasting is intrinsiek een zeer langzaam proces. Een internationaal team van wetenschappers uit Delft, Nijmegen, Lancaster, Luik en Kiev hebben nu een elegante oplossing voor dit probleem voorgesteld en experimenteel gerealiseerd. Licht gebruiken om een ​​magneet optisch te schudden door specifieke atomaire trillingen van het rooster resonant te stimuleren, ze slaagden erin zijn magnetische toestand te veranderen.

Een artistieke kijk op de nieuwe magnetische orde die ontstaat na het optisch schudden van de atomen. De goed geordende blauwe en rode atomen en spins vertegenwoordigen de nieuwe magnetische orde.

Schudden met licht

"We schudden optisch het rooster van een antiferromagneet dysprosiumorthoferriet, een magneet die bestaat uit afwisselend op en neer kleine magnetische momenten en heeft daarom geen netto magnetisatie, in tegenstelling tot de bekende koelkastmagneten, ", zegt postdoctoraal onderzoeker Dmytro Afanasiev van de TU Delft. Na het kristal heel kort te hebben geschud, de onderzoekers maten hoe de magnetische eigenschappen evolueerden. Ze ontdekten dat het magnetische systeem van de antiferromagneet verandert na het schudden, zodat een netto magnetisatie optreedt:gedurende een fractie van tijd, het materiaal wordt vergelijkbaar met een alledaagse koelkastmagneet.

belangrijk, dit alles gebeurt binnen een ongekend kort tijdsbestek van minder dan enkele picoseconden (miljoenste van een miljoenste van een seconde). Dit is niet alleen een orde van grootte korter dan de opnametijd in moderne computerharde schijven, maar nadert de fundamentele limiet voor het schakelproces. Dit betekent dat magnetische bits in toekomstige harde schijven met deze nieuwe methode zeer snel kunnen worden geschreven.

Afanasiev benadrukt de noodzaak om deze onderzoeksrichting verder te verkennen:"Deze bevindingen zullen verder onderzoek stimuleren naar het verkennen en begrijpen van de exacte mechanismen die de ultrasnelle roostercontrole van de magnetische toestand bepalen." Andrea Caviglia, universitair hoofddocent en onderzoeksgroepleider TU Delft, voegt eraan toe:"Als we dit soort wetenschap begrijpen, kunnen we niet het hele universum beheersen, zoals Dick Tracy geloofde. Maar het kan ons mogelijk een belangrijke en technologisch invloedrijke hoek ervan laten beheersen."