Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Βασιλείας και του ETH στη Ζυρίχη κατάφεραν να αλλάξουν την πολικότητα ενός ειδικού σιδηρομαγνήτη χρησιμοποιώντας μια δέσμη λέιζερ. Στο μέλλον, αυτή η μέθοδος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία προσαρμόσιμων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων με φως.
Σε έναν σιδηρομαγνήτη, λειτουργούν συνδυασμένες δυνάμεις. Προκειμένου μια βελόνα πυξίδας να δείχνει βόρεια ή ένας μαγνήτης ψυγείου να κολλήσει στην πόρτα του ψυγείου, αμέτρητα ηλεκτρόνια περιστρέφονται μέσα τους, καθένα από τα οποία δημιουργεί μόνο ένα μικροσκοπικό μαγνητικό πεδίο, όλα πρέπει να ευθυγραμμιστούν προς την ίδια κατεύθυνση. Αυτό συμβαίνει μέσω των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των περιστροφών, οι οποίες πρέπει να είναι ισχυρότερες από τη διαταραγμένη θερμική κίνηση μέσα στον σιδηρομαγνήτη. Εάν η θερμοκρασία του υλικού είναι κάτω από μια κρίσιμη τιμή, γίνεται σιδηρομαγνητικό.
Αντίθετα, για να αλλάξει κανείς την πολικότητα ενός σιδηρομαγνήτη, συνήθως χρειάζεται πρώτα να τον θερμάνει πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία του. Τα σπιν ηλεκτρονίων μπορούν στη συνέχεια να επαναπροσανατολιστούν και αφού κρυώσουν, το μαγνητικό πεδίο του σιδηρομαγνήτη τελικά δείχνει προς μια διαφορετική κατεύθυνση.
Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Καθ. Δρ. Tomasz Smoleński στο Πανεπιστήμιο της Βασιλείας και τον Καθ. Δρ. Ataç Imamoğlu στο ETH της Ζυρίχης, έχουν καταφέρει τώρα να επιφέρουν έναν τέτοιο επαναπροσανατολισμό χρησιμοποιώντας μόνο φως-χωρίς καμία θέρμανση. Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους στοΦύση.
Αλληλεπιδράσεις και τοπολογία
"Αυτό που είναι συναρπαστικό στη δουλειά μας είναι ότι συνδυάζουμε τα τρία μεγάλα θέματα στη σύγχρονη φυσική συμπυκνωμένης ύλης σε ένα μόνο πείραμα: ισχυρές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ηλεκτρονίων, τοπολογία και δυναμικός έλεγχος", λέει ο Imamoğlu.
Για να το επιτύχουν αυτό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα ειδικό υλικό που αποτελείται από δύο λεπτές στρώσεις γκοφρέτας-του οργανικού ημιαγωγού διτελλουριδίου του μολυβδαινίου, τα οποία είναι ελαφρώς στριμμένα μεταξύ τους.
Σε τέτοια υλικά, μπορούν να σχηματιστούν-τις λεγόμενες τοπολογικές καταστάσεις. Με απλά λόγια, οι τοπολογικές καταστάσεις μπορούν να χαρακτηριστούν με βάση το πώς μοιάζουν: μπάλα (χωρίς τρύπα) ή ντόνατ (μία τρύπα). Είναι σημαντικό ότι μια μπάλα δεν μπορεί να μετατραπεί σε ντόνατ με μια απλή παραμόρφωση, πράγμα που σημαίνει ότι οι τοπολογικές καταστάσεις ορίζονται ξεκάθαρα και μόνιμα.
Στα νέα πειράματα που{0}}επιβλέπονται από κοινού από τους Smoleński και Imamoğlu, τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να συντονιστούν μεταξύ τοπολογικών καταστάσεων που είναι μονωτικές και μεταλλικών καταστάσεων που αγώγουν. Είναι αξιοσημείωτο ότι οι αλληλεπιδράσεις προκαλούν τα σπιν των ηλεκτρονίων και στις δύο καταστάσεις να ευθυγραμμίζονται παράλληλα μεταξύ τους, μετατρέποντας το υλικό σε σιδηρομαγνήτη.
«Το κύριο αποτέλεσμα μας είναι ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε έναν παλμό λέιζερ για να αλλάξουμε τον συλλογικό προσανατολισμό των περιστροφών», λέει ο Olivier Huber, Ph.D. φοιτητής στο ETH, ο οποίος πραγματοποίησε τα πειράματα μαζί με τον συνάδελφό του Kilian Kuhlbrodt και τον Tomasz Smoleński. Πριν από μερικά χρόνια, αυτό είχε ήδη γίνει για μεμονωμένα ηλεκτρόνια, αλλά τώρα έχει επιτευχθεί η «εναλλαγή» ή η αλλαγή της πολικότητας ολόκληρου του σιδηρομαγνήτη.
«Αυτή η εναλλαγή ήταν μόνιμη και, επιπλέον, η τοπολογία επηρεάζει τη δυναμική μεταγωγής», λέει ο Smoleński.
Ανακαλύψτε τα πιο πρόσφατα στην επιστήμη, την τεχνολογία και το διάστημα με το over100.000 συνδρομητέςπου βασίζονται στο Phys.org για καθημερινές πληροφορίες. Εγγραφείτε στο δωρεάν ενημερωτικό μας δελτίο και λάβετε ενημερώσεις σχετικά με σημαντικές ανακαλύψεις, καινοτομίες και έρευνες-καθημερινά ή εβδομαδιαία.
Συνεισφέρω
Δυναμικός έλεγχος του σιδηρομαγνήτη
Με αυτόν τον τρόπο, ο παλμός λέιζερ μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη χάραξη νέων οριακών γραμμών, μέσα στις οποίες βρίσκεται η τοπολογική σιδηρομαγνητική κατάσταση. Αυτό μπορεί να γίνει επανειλημμένα, έτσι ώστε να είναι δυνατός ο δυναμικός έλεγχος των τοπολογικών και σιδηρομαγνητικών ιδιοτήτων.
Για να δείξουν ότι ο μικροσκοπικός σιδηρομαγνήτης, που έχει μέγεθος μόνο λίγα μικρόμετρα, είχε πράγματι αλλάξει την πολικότητα του, οι ερευνητές μέτρησαν την ανάκλαση μιας δεύτερης, πολύ πιο αδύναμης δέσμης λέιζερ. Αυτή η ανάκλαση αποκάλυψε τον προσανατολισμό των σπιν ηλεκτρονίων.
«Στο μέλλον, θα μπορούμε να χρησιμοποιούμε τη μέθοδό μας για να γράφουμε οπτικά αυθαίρετα και προσαρμόσιμα τοπολογικά κυκλώματα σε ένα τσιπ», λέει ο Smoleński. Αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μικροσκοπικών συμβολόμετρων, με τα οποία μπορούν να μετρηθούν εξαιρετικά μικρά ηλεκτρομαγνητικά πεδία.
