Professor Amir Capua, hoofd van het Spintronics Lab binnen het Instituut voor Toegepaste Natuurkunde en Elektrotechniek aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem, kondigde een cruciale doorbraak aan op het gebied van licht-magnetisme-interacties. De onverwachte ontdekking van het team onthult een mechanisme waarbij een optische laserstraal de magnetische toestand in vaste stoffen regelt, wat tastbare toepassingen in verschillende industrieën belooft.

"Deze doorbraak markeert een paradigmaverschuiving in ons begrip van de interactie tussen licht en magnetische materialen", aldus professor Capua. "Het maakt de weg vrij voor lichtgestuurde, snelle geheugentechnologie, met name Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM), en innovatieve ontwikkeling van optische sensoren. In feite betekent deze ontdekking een grote sprong voorwaarts in ons begrip van de dynamiek van lichtmagnetisme."

Het onderzoek daagt het conventionele denken uit door het over het hoofd geziene magnetische aspect van licht te ontrafelen, dat doorgaans minder aandacht krijgt vanwege de langzamere reactie van magneten vergeleken met het snelle gedrag van lichtstraling.

Door hun onderzoek ontrafelde het team een ​​nieuw inzicht:de magnetische component van een snel oscillerende lichtgolf bezit het vermogen om magneten te controleren, waardoor het principe van fysieke relaties opnieuw wordt gedefinieerd. Interessant is dat er een elementaire wiskundige relatie werd geïdentificeerd die de sterkte van de interactie beschrijft en die de amplitude van het magnetische veld van licht, de frequentie ervan en de energieabsorptie van het magnetische materiaal met elkaar verbindt.

De ontdekking is nauw verbonden met het domein van de kwantumtechnologieën en de gecombineerde principes van twee wetenschappelijke gemeenschappen die tot nu toe weinig overlap kenden. "We zijn tot dit inzicht gekomen door principes te gebruiken die goed ingeburgerd zijn binnen de gemeenschappen van kwantumcomputing en kwantumoptica, maar minder in de gemeenschappen van spintronica en magnetisme", aldus Capua.

De interactie tussen een magnetisch materiaal en straling is goed vastgesteld wanneer de twee in perfect evenwicht zijn. De situatie waarbij zowel straling als magnetisch materiaal niet in evenwicht zijn, is tot nu toe echter zeer gedeeltelijk beschreven.

Dit niet-evenwichtsregime vormt de kern van de kwantumoptica en kwantumcomputertechnologieën. Door ons onderzoek naar dit niet-evenwichtsregime in magnetische materialen hebben we, terwijl we principes uit de kwantumfysica ontlenen, het fundamentele inzicht geschraagd dat magneten zelfs kunnen reageren op de korte tijdschalen van licht. Bovendien blijkt de interactie zeer significant en efficiënt te zijn.

"Onze bevindingen kunnen een verscheidenheid aan experimentele resultaten verklaren die in de afgelopen twee tot drie decennia zijn gerapporteerd", legt Capua uit.

"Deze ontdekking heeft verstrekkende gevolgen, vooral op het gebied van gegevensregistratie met behulp van licht en nanomagneten", zegt professor Capua. "Het verwijst naar de potentiële realisatie van ultrasnelle en energiezuinige optisch gestuurde MRAM en een seismische verschuiving in informatieopslag en -verwerking in diverse sectoren."

Bovendien introduceerde het team, naast deze ontdekking, een gespecialiseerde sensor die het magnetische deel van licht kan detecteren. In tegenstelling tot traditionele sensoren biedt dit baanbrekende ontwerp veelzijdigheid en integratie in verschillende toepassingen, waardoor sensor- en circuitontwerpen mogelijk een revolutie teweegbrengen waarbij licht op verschillende manieren wordt gebruikt.

Het onderzoek werd uitgevoerd door Benjamin Assouline, een Ph.D. kandidaat in het Spintronics Lab, die een cruciale rol speelde bij deze ontdekking. Het team besefte de potentiële impact van hun doorbraak en heeft verschillende gerelateerde patenten aangevraagd.

Meer informatie: Benjamin Assouline et al, Heliciteitsafhankelijke optische controle van de magnetisatietoestand die voortkomt uit de Landau-Lifshitz-Gilbert-vergelijking, Physical Review Research (2024). DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.013012

Journaalinformatie: Fysiek reviewonderzoek

Aangeboden door de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem