Avbildning av antiferromagneten CoF 2 omvandlas till en ferrimagnet under optisk excitation. De röda och blå pilarna anger de ursprungliga antiparallella snurren. Terahertz-ljuspulser inducerar förändringar i kristallstrukturen som polariserar spinnen, skapa ett nytt magnetiskt tillstånd som kan användas för informationslagring och bearbetning. Kredit:Jörg Harms / MPSD
Magnetiska material har varit en stöttepelare i datorteknik på grund av deras förmåga att permanent lagra information i sitt magnetiska tillstånd. Nuvarande teknologier är baserade på ferromagneter, vars tillstånd lätt kan vändas av magnetfält. Snabbare, tätare, och mer robusta nästa generations enheter skulle göras möjliga genom att använda en annan klass av material, kända som antiferromagneter. Deras magnetiska tillstånd, dock, är notoriskt svår att kontrollera.
Nu, ett forskarlag från MPSD och University of Oxford har lyckats driva en prototypisk antiferromagnet till ett nytt magnetiskt tillstånd med hjälp av terahertz-frekvensljus. Deras banbrytande metod gav en effekt som var större än vad som tidigare uppnåtts, och på ultrasnabba tidsskalor. Teamets arbete har precis publicerats i Naturfysik .
Styrkan och riktningen på en magnets "nordpol" betecknas med dess så kallade magnetisering. I ferromagneter, denna lätt reversibla magnetisering kan representera en "bit" information, vilket har gjort dem till det valda materialet för magnetbaserad teknik. Men ferromagneter är långsamma att fungera och reagerar på strömagnetiska fält, vilket innebär att de är benägna att göra fel och inte kan packas särskilt tätt tillsammans.
Antiferromagneter är ett spännande alternativ. Till skillnad från ferromagneter, de har ingen makroskopisk magnetisering, eftersom de består av omväxlande uppåt- och nedåtpekande magnetiska ögonblick, som atomstora stångmagneter som vänder riktning från en atom till nästa. De påverkas inte starkt av magnetfält, vilket gör dem robusta för informationslagring och gör att de kan skalas till mycket mindre storlekar. Dessutom, de kunde svara snabbare än nuvarande enheter, med frekvenser upp till flera terahertz. Utmaningen för forskare är att hitta sätt att på ett tillförlitligt sätt ändra det magnetiska tillståndet hos en antiferromagnet.
I deras nya tidning, MPSD/Oxfords forskargrupp följde ett nytt tillvägagångssätt, undersöker hur det magnetiska tillståndet hos en antiferromagnet påverkas av dess kristallstruktur. De utnyttjade en egenskap hos vissa antiferromagneter som kallas piezomagnetism, där en förändring i atomstrukturen leder till en magnetisering, precis som i en ferromagnet. Denna förändring uppnås vanligtvis genom att applicera ett enaxligt tryck - men detta är en långsam process som kan bryta kristallen.
Istället för tryck, teamet använde ljus för att kontrollera den piezomagnetiska effekten i CoF 2 . Metoden, kommer från gruppen i Hamburg 2011, bygger på spännande gittervibrationer, eller "fononer, " med noggrant skräddarsydda ljuspulser. Genom att ställa in frekvensen och polariseringen av ljuspulserna, de skulle kunna framkalla samma strukturella förvrängningar som ger upphov till piezomagnetism utan att behöva anstränga kristallen – en experimentell idé som föreslogs av medförfattaren Paolo Radaelli från Oxford University när han besökte MPSD 2018.
Denna innovativa teknik gjorde det möjligt för forskarna att skapa en magnetisering 400 gånger större än vad som tidigare uppnåtts. Slående, det tog bara runt 100 ps för magnetiseringen att utvecklas och riktningen på magnetiseringen kunde vändas genom att ändra ljusets polarisation. Resultaten representerar ett stort framsteg i den optiska kontrollen av materialens egenskaper.
Huvudförfattaren Ankit Disa säger:"Detta experiment var den första demonstrationen av att "rationellt" eller "avsiktligt" konstruera en kristallstruktur med ljus. Vi visste vilken typ av strukturell distorsion som behövdes för att skapa en fasövergång från en antiferromagnet till en ferromagnet -liknande tillstånd. Tricket var att förstå hur man använder ljus för att driva in materialet i denna nya kristallstruktur."
Andrea Cavalleri, som ledde experimentteamet vid MPSD och är involverad i excellensklustret CUI :Advanced Imaging of Matter, ser en stor potential i användningen av ljus för att kontrollera materialegenskaper:"Denna teknik kan leda till optomagnetiska strömbrytare, till exempel, att skapa minnen som kan skrivas och läsas av ljus. Mer fundamentalt, vi har nu verktygen och förståelsen för att optiskt konstruera strukturen av material på atomär skala, som kan användas för att manipulera funktionaliteter i många typer av system från magneter till ferroelektrik till supraledare."
