Дослідникам Базельського університету та ETH у Цюріху вдалося змінити полярність спеціального феромагнетика за допомогою лазерного променя. У майбутньому цей метод можна буде використовувати для створення адаптованих електронних схем зі світлом.
У феромагнетику діють комбіновані сили. Щоб стрілка компаса вказувала на північ або магніт на холодильник прилипав до дверцят холодильника, всередині них обертається незліченна кількість електронів, кожен із яких створює лише крихітне магнітне поле, і всі вони мають вишикуватися в одному напрямку. Це відбувається через взаємодію між спінами, яка має бути сильнішою за невпорядкований тепловий рух усередині феромагнетика. Якщо температура матеріалу нижче критичного значення, він стає феромагнітним.
І навпаки, щоб змінити полярність феромагнетика, зазвичай його потрібно спочатку нагріти вище критичної температури. Тоді спіни електронів можуть переорієнтуватися, і після охолодження магнітне поле феромагнетика зрештою вказує в іншому напрямку.
Групі дослідників під керівництвом професора, доктора Томаша Смоленського з Базельського університету та професора, доктора Атача Імаоглу з ETH у Цюріху вдалося здійснити таку пере{4}}орієнтацію, використовуючи лише світло-без нагрівання. Свої результати вони опублікували вприрода.
Взаємодії та топологія
«Що захоплююче в нашій роботі, так це те, що ми об’єднуємо три великі теми сучасної фізики конденсованого середовища в одному експерименті: сильну взаємодію між електронами, топологію та динамічний контроль», — говорить Імаоглу.
Щоб досягти цього, дослідники використали спеціальний матеріал, що складається з двох вафельних-тонких шарів органічного напівпровідника дителлуриду молібдену, які злегка закручені відносно один одного.
У таких матеріалах можуть утворюватися так-топологічні стани. Простіше кажучи, топологічні стани можна охарактеризувати на основі того, як вони виглядають: куля (без дірки) або пончик (одна дірка). Важливо, що м’яч не можна перетворити на пончик простою деформацією, а це означає, що топологічні стани визначені однозначно та постійно.
У нових експериментах, -якими спільно керували Смоленський та Імаоглу, електрони могли бути налаштовані між такими топологічними станами, які є ізоляційними, та металевими станами, які є провідними. Примітно, що взаємодії змушують спини електронів в обох станах вирівнюватися паралельно один одному, перетворюючи матеріал на феромагнетик.
«Наш головний результат полягає в тому, що ми можемо використовувати лазерний імпульс для зміни загальної орієнтації обертів», — говорить Олів’є Хубер, доктор філософії. студент ETH, який проводив експерименти разом зі своїм колегою Кіліаном Кульбродтом і Томашем Смоленським. Кілька років тому це вже робили для одиничних електронів, але тепер досягнуто «перемикання» або зміни полярності всього феромагнетика.
«Це перемикання було постійним і, крім того, топологія впливає на динаміку перемикань», — каже Смоленський.
Відкрийте для себе останні новинки науки, техніки та космосу з over100 000 підписниківякі щоденно покладаються на Phys.org. Підпишіться на нашу безкоштовну інформаційну розсилку та отримуйте оновлення про важливі досягнення, інновації та дослідження-щоденно або щотижня.
Підпишіться
Динамічне керування феромагнетиком
Таким чином, лазерний імпульс також можна використовувати для малювання нових граничних ліній, всередині яких знаходиться топологічний феромагнітний стан. Це можна робити багаторазово, так що можливий динамічний контроль топологічних і феромагнітних властивостей.
Щоб показати, що крихітний феромагнетик розміром лише кілька мікрометрів насправді змінив свою полярність, дослідники виміряли відбиття другого, набагато слабшого лазерного променя. Це відображення виявило орієнтацію електронних спінів.
«У майбутньому ми зможемо використовувати наш метод для оптичного запису довільних та адаптованих топологічних схем на чіпі», — говорить Смоленський. Потім цей підхід може бути використаний для створення крихітних інтерферометрів, за допомогою яких можна вимірювати надзвичайно малі електромагнітні поля.
