Wetenschap
Kwantumgedrag bij kamertemperatuur:wanneer laserlicht materialen magnetisch maakt
Het potentieel van de kwantumtechnologie is enorm, maar is tegenwoordig grotendeels beperkt tot de extreem koude omgevingen van laboratoria. Nu zijn onderzoekers van de Universiteit van Stockholm, het Nordic Institute for Theoretical Physics en de Ca' Foscari Universiteit van Venetië er voor de allereerste keer in geslaagd aan te tonen hoe laserlicht kwantumgedrag bij kamertemperatuur kan induceren – en niet-magnetische materialen magnetisch kan maken. De doorbraak zal naar verwachting de weg vrijmaken voor snellere en energiezuinigere computers, informatieoverdracht en gegevensopslag.
Verwacht wordt dat de vooruitgang van de kwantumtechnologie binnen enkele decennia een revolutie teweeg zal brengen op verschillende van de belangrijkste gebieden van de samenleving en de weg zal vrijmaken voor volledig nieuwe technologische mogelijkheden op het gebied van communicatie en energie. Van bijzonder belang voor onderzoekers in dit veld zijn de eigenaardige en bizarre eigenschappen van kwantumdeeltjes, die volledig afwijken van de wetten van de klassieke natuurkunde en materialen magnetisch of supergeleidend kunnen maken.
Door het begrip te vergroten van precies hoe en waarom dit soort kwantumtoestanden ontstaan, is het doel om materialen te kunnen controleren en manipuleren om kwantummechanische eigenschappen te verkrijgen.
Tot nu toe zijn onderzoekers er alleen in geslaagd kwantumgedrag, zoals magnetisme en supergeleiding, te induceren bij extreem lage temperaturen. Daarom is het potentieel van kwantumonderzoek nog steeds beperkt tot laboratoriumomgevingen.
Nu heeft een onderzoeksteam van de Universiteit van Stockholm en het Nordic Institute of Theoretical Physics (NORDITA) in Zweden, de Universiteit van Connecticut en het SLAC National Accelerator Laboratory in de VS, het National Institute for Materials Science in Tsukuba, Japan, de Elettra-Sincrotrone Trieste , de "Sapienza" Universiteit van Rome en de Ca' Foscari Universiteit van Venetië in Italië, zijn de eerste ter wereld die in een experiment aantonen hoe laserlicht magnetisme kan induceren in een niet-magnetisch materiaal bij kamertemperatuur.
In het onderzoek, gepubliceerd in Nature , onderwierpen de onderzoekers het kwantummateriaal strontiumtitanaat aan korte maar intense laserstralen met een eigenaardige golflengte en polarisatie, om geïnduceerd magnetisme te veroorzaken.
"De innovatie in deze methode ligt in het concept om licht atomen en elektronen in dit materiaal in cirkelvormige bewegingen te laten bewegen, om zo stromen te genereren die het net zo magnetisch maken als een koelkastmagneet. We hebben dit kunnen doen door een nieuw licht te ontwikkelen bron in het verre infrarood met een polarisatie die de vorm van een 'kurkentrekker' heeft", zegt onderzoeksleider Stefano Bonetti van de Universiteit van Stockholm en van de Ca' Foscari Universiteit van Venetië.
"Dit is de eerste keer dat we in een experiment hebben kunnen induceren en duidelijk kunnen zien hoe het materiaal magnetisch wordt bij kamertemperatuur. Bovendien maakt onze aanpak het mogelijk om magnetische materialen uit vele isolatoren te maken, terwijl magneten doorgaans van metalen zijn gemaakt." op de lange termijn opent dit voor geheel nieuwe toepassingen in de samenleving."
De methode is gebaseerd op de theorie van 'dynamische multiferroiciteit', die voorspelt dat wanneer titaniumatomen worden 'beroerd' met circulair gepolariseerd licht in een oxide op basis van titanium en strontium, er een magnetisch veld zal worden gevormd. Maar pas nu kan de theorie in de praktijk worden bevestigd. Verwacht wordt dat de doorbraak brede toepassingen zal hebben in verschillende informatietechnologieën.
"Dit opent de deur naar ultrasnelle magnetische schakelaars die kunnen worden gebruikt voor snellere informatieoverdracht en aanzienlijk betere gegevensopslag, en voor computers die aanzienlijk sneller en energiezuiniger zijn", zegt Alexander Balatsky, hoogleraar natuurkunde bij NORDITA. P>
In feite zijn de resultaten van het team al gereproduceerd in verschillende andere laboratoria, en een publicatie in hetzelfde nummer van Nature toont aan dat deze aanpak kan worden gebruikt om magnetische informatie te schrijven en dus op te slaan. Er is een nieuw hoofdstuk geopend in het ontwerpen van nieuwe materialen met behulp van licht.