Forskare från Department of Energy SLAC National Accelerator Laboratory och Massachusetts Institute of Technology har visat ett förvånansvärt enkelt sätt att vända ett material från en stat till en annan, och sedan tillbaka igen, med enda blixtar av laserljus.

Detta kopplingsbeteende liknar det som händer i magnetiska datalagringsmaterial, och att göra omkopplaren med laserljus kan erbjuda ett nytt sätt att läsa och skriva information i nästa generations datalagringsenheter, bland andra applikationer utan motstycke, säger Nuh Gedik, studiens huvudutredare vid MIT. Teamet rapporterade sina resultat idag Vetenskapliga framsteg .

Frysta vågor av elektroner

I dagens enheter, information lagras och hämtas genom att vända elektronernas snurr med ett magnetfält. "Men här vända vi en annan materialegenskap som kallas laddningstäthetsvågor, "säger Alfred Zong, en doktorand i Gediks grupp och en av studiens ledande författare.

Laddningsdensitetsvågor är periodiska toppar och dalar i hur elektroner fördelas i ett material. De är orörliga, som isiga vågor på en frusen sjö. Forskare vill lära sig mer om dessa vågor eftersom de ofta samexisterar med andra intressanta materialegenskaper, såsom förmågan att leda elektricitet utan förlust vid relativt höga temperaturer, och kan potentiellt relateras till dessa fastigheter.

Den nya studien fokuserade på tantaldisulfid, ett material med laddningsdensitetsvågor som alla är orienterade i samma riktning i det som kallas alfatillståndet. När forskarna zappade en tunn kristall av materialet med en mycket kort laserpuls, några av vågorna vred till ett betatillstånd med en annan elektronorientering, och alfa- och beta -regionerna separerades av domänväggar. En andra ljusblixt upplöste domänväggarna och återförde materialet till dess rena alfatillstånd.

Överraskande materialbrytare

Dessa förändringar i materialet, som aldrig setts tidigare, detekterades med SLACs instrument för ultrasnabb elektrondiffraktion (UED), en höghastighets "elektronkamera" som sonderar rörelserna i ett materials atomstruktur med en kraftfull stråle av mycket energiska elektroner.

"Vi letade efter andra effekter i vårt experiment, så vi blev helt överraskade när vi såg att vi kan skriva och radera domänväggar med enda ljuspulser, "säger Xijie Wang, chef för SLAC:s UED -grupp.

Anshul Kogar, en postdoktor i Gediks grupp, säger, "Domänväggarna är en särskilt intressant egenskap eftersom de har egenskaper som skiljer sig från resten av materialet." Till exempel, de kan spela en roll i den drastiska förändring som ses i tantaldisulfids elektriska motstånd när det utsätts för ultrakorte ljuspulser, som tidigare observerats av en annan grupp.

SLAC -personalvetare Xiaozhe Shen, en av studiens ledande författare i Wangs team, säger, "UED tillät oss att i detalj analysera hur domänerna bildades med tiden, hur stora de var och hur de fördelades i materialet. "

Forskarna fann också att de kan finjustera processen genom att justera temperaturen på kristallen och ljuspulsens energi, ger dem kontroll över materialbrytaren. I ett nästa steg, laget vill få ännu mer kontroll, till exempel genom att forma ljuspulsen på ett sätt som gör det möjligt att generera särskilda domänmönster i materialet.

"Det faktum att vi kan ställa in ett material på ett mycket enkelt sätt verkar väldigt grundläggande, "Säger Wang." Så grundläggande, faktiskt, att det kan visa sig vara ett viktigt steg mot att använda ljus för att skapa de exakta materialegenskaper vi vill ha. "