Onderzoekers van de Universiteit van Konstanz hebben een nieuw type ultrasnel magnetisch schakelen ontdekt door fluctuaties te onderzoeken die normaal gesproken de neiging hebben om experimenten te verstoren als ruis.

Ruis op de radio bij slechte ontvangst is een typisch voorbeeld van hoe schommelingen een fysiek signaal maskeren. In feite treedt dergelijke interferentie of ruis op bij elke fysieke meting, naast het daadwerkelijke signaal.

"Zelfs op de eenzaamste plek in het universum, waar helemaal niets zou moeten zijn, zijn er nog steeds schommelingen in het elektromagnetische veld", zegt natuurkundige Ulrich Nowak.

In het Collaborative Research Center (CRC) 1432 "Fluctuations and Nonlinearities in Classical and Quantum Matter beyond Equilibrium" van de Universiteit van Konstanz zien onderzoekers deze alomtegenwoordige ruis niet als een storende factor die moet worden geëlimineerd, maar als een bron van informatie die moet worden geëlimineerd. vertelt ons iets over het signaal.

Geen magnetisch effect, maar schommelingen

Deze aanpak is nu succesvol gebleken bij het onderzoeken van antiferromagneten. Antiferromagneten zijn magnetische materialen waarin de magnetisaties van verschillende subroosters elkaar opheffen. Niettemin worden antiferromagnetische isolatoren als veelbelovend beschouwd voor energie-efficiënte componenten op het gebied van informatietechnologie. Omdat ze aan de buitenkant nauwelijks magnetische velden hebben, zijn ze fysiek erg moeilijk te karakteriseren. Toch zijn antiferromagneten omgeven door magnetische fluctuaties, die ons veel kunnen vertellen over dit zwakmagnetische materiaal.

In deze geest analyseerden de groepen van de twee materiaalwetenschappers Ulrich Nowak en Sebastian Gönnenwein de fluctuaties van antiferromagnetische materialen in de context van het CRC. De beslissende factor in hun theoretische en experimentele studie, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications , was het specifieke frequentiebereik.

‘Wij meten zeer snelle fluctuaties en hebben een methode ontwikkeld waarmee fluctuaties toch kunnen worden gedetecteerd op de ultrakorte tijdschaal van femtoseconden’, zegt experimenteel natuurkundige Gönnenwein. Een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde.

Nieuwe experimentele aanpak voor ultrasnelle tijdschalen

Op langzamere tijdschalen zou je elektronica kunnen gebruiken die snel genoeg is om deze fluctuaties te meten. Op ultrasnelle tijdschalen werkt dit niet meer, en daarom moest een nieuwe experimentele aanpak worden ontwikkeld. Het is gebaseerd op een idee van de onderzoeksgroep van Alfred Leitenstorfer, die tevens lid is van het Collaborative Research Center. Met behulp van lasertechnologie gebruiken de onderzoekers pulsreeksen of pulsparen om informatie over fluctuaties te verkrijgen.

Aanvankelijk werd deze meetaanpak ontwikkeld om kwantumfluctuaties te onderzoeken, en is nu uitgebreid naar fluctuaties in magnetische systemen. Takayuki Kurihara van de Universiteit van Tokyo speelde als derde samenwerkingspartner een sleutelrol in deze ontwikkeling. Van 2018 tot 2020 was hij lid van de Leitenstorfer-onderzoeksgroep en de Zukunftskolleg aan de Universiteit van Konstanz.

Detectie van fluctuaties met behulp van ultrakorte lichtpulsen

In het experiment worden twee ultrakorte lichtpulsen met een tijdsvertraging door de magneet gestuurd, waarbij respectievelijk de magnetische eigenschappen tijdens de looptijd van elke puls worden getest. Vervolgens worden de lichtpulsen met behulp van geavanceerde elektronica op gelijkenis gecontroleerd. De eerste puls dient als referentie, de tweede bevat informatie over hoeveel de antiferromagneet is veranderd in de tijd tussen de eerste en tweede puls. Verschillende meetresultaten op de twee tijdstippen bevestigen de fluctuaties. De onderzoeksgroep van Nowak heeft het experiment ook gemodelleerd in uitgebreide computersimulaties om de resultaten ervan beter te begrijpen.

Een onverwacht resultaat was de ontdekking van wat bekend staat als telegraafruis op ultrakorte tijdschalen. Dit betekent dat er niet alleen sprake is van ongesorteerde ruis, maar ook van fluctuaties waarbij het systeem heen en weer schakelt tussen twee goed gedefinieerde toestanden. Een dergelijke snelle, puur willekeurige schakeling is nog nooit eerder waargenomen en zou interessant kunnen zijn voor toepassingen zoals generatoren van willekeurige getallen. Hoe dan ook bieden de nieuwe methodologische mogelijkheden voor het analyseren van fluctuaties op ultrakorte tijdschalen een groot potentieel voor verdere ontdekkingen op het gebied van functionele materialen.

Meer informatie: M. A. Weiss et al., Ontdekking van ultrasnelle spontane spin-switching in een antiferromagneet door femtoseconde ruiscorrelatiespectroscopie, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43318-8

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Universiteit van Konstanz