Produktion av enheter för att lagra eller överföra information är en av de vanligaste tekniska tillämpningarna av magnetism. En experimentell och teoretisk studie genomförd vid University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP) i Brasilien har upptäckt ett ultrasnabbt sätt att magnetisera materia med minimal energiförbrukning.

Med hjälp av en teknik som kallas magnetisering genom ljus, forskarna magnetiserade ett prov av europium selenid (EuSe) på 50 pikosekunder med en 50-watts glödlampa några centimeter bort. En picosekund är en biljondel av en sekund.

En artikel som beskriver experimentet, med titeln "Ultrasnabb ljusomkoppling av ferromagnetism i EuSe, "publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev .

Experimentet genomfördes av André Bohomoletz Henriques, en professor vid IF-USP, och samarbetspartners med stöd från São Paulo Research Foundation — FAPESP.

"Vårt mål var att hitta nya mekanismer för att förändra materialismens magnetism i en ultrakort tidsskala med endast ljus. Nyheten i vår forskning är att den möjliggör mycket stark magnetisering med mycket små mängder ljus, Sa Henriques.

Processen härleddes experimentellt vid University of São Paulo's Magneto-Optics Laboratory, men tolkningen av fenomenet krävde omfattande teoretiskt arbete, involverar procedurer som självkonsistenta kvantmekaniska beräkningar och Monte Carlo-simuleringar, från gruppen som leds av Henriques.

Magnetiseringen av ett material är associerad med den rumsliga ordningen av spinnarna i dess ingående partiklar. I ett omagnetiserat material, spinnet i dess atomer (som härrör från spinnet av dess elektroner) är stört. Eftersom vektorstorlek är inblandad, varje atom snurrar i en godtycklig riktning. I vissa situationer, dessa snurr kan beställas med ljus, som, som ett resultat, kan helt magnetisera ett ursprungligen stört material. Bilden ovan illustrerar processen för magnetisering genom ljus.

Materialet som valdes för experimentet var halvledaren europium selenide (EuSe), där varje foton beställde snurr på 6, 000 elektroner.

"Detta händer eftersom när en foton interagerar med en elektron, det ändrar ett tillstånd som är starkt beläget i atomen till ett tillstånd som sträcker sig till många atomer, "Henriques förklarade." Resultatet är att på utomordentligt kort tid, cirka 50 pikosekunder, alla atomer inom räckhåll för elektronens vågfunktion växlar sina snurr till en gemensam riktning, skapa ett super-gigantiskt magnetiskt ögonblick som närmar sig 6, 000 Bohr -magnetoner. Det motsvarar magnetmomentet 6, 000 elektroner med snurr som alla pekar i samma riktning. Resultatet, ansedd oväntad och spektakulär av kamratgranskare för Physical Review Letters, var det med en enda foton, vi kunde justera snurr på 6, 000 elektroner. "

Spin förstås populärt som en partikels rotation runt en axel, men denna uppfattning motsvarar inte verkligheten och fungerar bara som en representation av en partikel som är associerad med en elektrisk ström motsvarande ett magnetiskt moment.

Partiklar har inte bara tröghetsmassa och elektrisk laddning utan också en tredje fysisk egenskap som kallas spin. Denna fastighet, karakteriseras som en vektor (dvs. en fysisk mängd med storlek och riktning), beskriver partikelns magnetiska moment. Som en kompassnål, som är orienterad i nord-sydlig riktning genom dragning av jordens magnetfält eftersom det har ett magnetiskt moment, en partikels centrifugering tenderar också att peka i riktningen för magnetfältet som verkar på den.

"För att magnetisera europium selenid, fotonen måste ha tillräckligt med energi för att överföra en elektron från en bana mycket nära atomkärnan till en avlägsen bana i ledningsbandet. Som ett resultat av denna överföring, elektronen interagerar magnetiskt med tusentals närliggande atomer. Interaktionen mellan elektronens magnetmoment och de magnetiska momenten i de närliggande atomerna justerar alla deras snurr, "sade den FAPESP-stödda forskaren.

Anti-ferromagnetisk interaktion

Europium selenid valdes på grund av dess höga magnetiska känslighet, vilket resulterar i den starka tendensen hos atomspinn att anpassa sig under effekten av ett mycket litet magnetfält.

"Förutom den magnetiska interaktionen mellan elektronen och europiumatomerna, Det finns också magnetisk interaktion mellan europiumatomerna själva. Interaktionen mellan de första grannarna är ferromagnetisk; med andra ord, det gynnar inriktning i samma riktning. Men interaktionen mellan andra grannar är anti-ferromagnetisk och gynnar inriktning i motsatta riktningar, Sa Henriques.

"Dessa två interaktioner avbryter nästan varandra. Egentligen den anti-ferromagnetiska interaktionen råder nästan. Av denna anledning, under vanliga förhållanden, materialet finns i det anti-ferromagnetiska tillståndet, utan magnetism. Dock, alla mindre störningar, såsom närvaron av en elektron, kan rubba denna känsliga balans av interaktioner och gynna det ferromagnetiska tillståndet, dvs. inriktningen av alla snurr i kristallen i samma riktning, magnetisera materialet nästan omedelbart. "

Det finns olika former av magnetisk interaktion. Den mest kända formen är dipolär interaktion, som kännetecknar attraktionen mellan två magneter, men det finns också utbytesinteraktion, som är mycket starkare och påverkar magnetismen hos en kompassnål eller kylskåpsmagnet.

Utbytesinteraktion har ett elektrostatiskt ursprung och utgör ett kvantfenomen som härrör från Pauli -uteslutningsprincipen, som inte har någon analog i klassisk fysik. Denna process möjliggör ultrasnabb magnetisering med ljus med minimal energiförbrukning.

Även om de utförde denna studie strikt som grundforskning, Henriques och hans team är medvetna om de potentiella tekniska tillämpningarna i samband med den snabbt framsteg som elektronikindustrin. Enligt en ledare publicerad i mars 2018 i tidningen Naturfysik , manipulering av magnetism i anti-ferromagnetiska material som europium selenide är ett framväxande forskningsområde med lovande potential för användning i elektroniska apparater.