Fysiker från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) och Niels Bohr Institute i Köpenhamn, Danmark, har tagit fram en metod för att förvandla en icke-magnetisk metall till en magnet med hjälp av laserljus.

Magneter och deras magnetfält produceras vanligtvis av cirkulerande strömmar, som de som finns i vardagliga elektromagnetiska spolar. Dessa spolars 'hand' - oavsett om de är lindade medurs eller moturs - bestämmer riktningen för det magnetiska fältet som produceras.

Forskarna teoretiserar att när icke-magnetiska metallskivor belyses av linjärt polariserat ljus-ljus som inte har någon egen handhet-kan cirkulerande elektriska strömmar och därmed magnetism spontant dyka upp i skivan.

Denna metod kan i princip göra icke-järnmetaller till magneter "on-demand" med hjälp av laserljus.

Den nya teorin av biträdande professor Justin Song från NTU:s School of Physical and Mathematical Sciences och docent Mark Rudner från Niels Bohr Institute, publicerades i den vetenskapliga tidskriften Naturfysik Tidigare den här månaden.

Vid utformningen av deras förslag, forskarna utvecklade ett nytt sätt att tänka på samspelet mellan ljus och materia. De använde en kombination av penna-och-papper-beräkningar och numeriska simuleringar för att utforma det.

Asst Prof Song sa att deras schema är ett exempel på hur nya starka ljusmaterialinteraktioner kan användas för att skapa materiella egenskaper "on-demand". Om det realiseras experimentellt, detta skulle öppna en mängd olika möjliga tillämpningar inom en rad högkvalitativa plasmoniska material, såsom grafen.

Utnyttjande av plasmoniska fält

Egenskaperna för många material anses konventionellt vara fixerade, bestäms av arrangemanget av dess atomer på nanoskala. Till exempel, konfigurationen av atomer i ett material dikterar om det leder elektricitet enkelt eller har isolerande/icke-ledande beteende.

Song och Rudner ville utforska hur plasmoner - lokala svängningar av laddning i metaller - och de intensiva oscillerande elektriska fälten de skapar, kan användas för att ändra materialegenskaper.

Som hur ljus består av fotoner, plasmasvängningen består av plasmoner, en typ av kvasipartikel. Plasmoner tenderar att pendla och röra sig i samma riktning som fältet som driver det (t.ex. ljusfältets polarisationsriktning).

Dock, forskarna fann att när ljusstrålningen är tillräckligt stark, plasmonerna i en icke-magnetisk metallisk skiva kan spontant rotera antingen vänsterhänt eller högerhänt, även när det drivs av linjärt polariserat ljus.

"Detta var en signatur på att materialets inneboende egenskaper hade ändrats, "sa Asst Prof Song." Vi fann att när en plasmons starka inre fält modifierar ett materials elektroniska bandstruktur skulle det också transformera plasmonen också, upprätta en återkopplingsslinga som gör att plasmonen spontant kan uppvisa en kiralitet. "

Denna kirala rörelse av plasmonen gav en magnetisering som sedan gjorde den icke-magnetiska metalliska skivan till deras system, magnetisk.

Forskarna säger att nyckelobservationen i deras teoretiska analys är att intensiva plasmoniska oscillerande elektriska fält kan förändra elektronernas dynamik i metallen.

Docent Rudner sa:"Ur elektronens synvinkel i ett material, ett elektriskt fält är ett elektriskt fält:det spelar ingen roll om detta oscillerande fält producerades av plasmoner i själva materialet eller av en laser som lyser på materialet. "

Song och Rudner använde denna insikt för att teoretiskt demonstrera förhållandena när feedback från plasmonernas inre fält kan utlösa en instabilitet mot spontan magnetisering i systemet. Teamet förväntar sig att detta teoretiska tillvägagångssätt skulle kunna förverkligas i en rad högkvalitativa plasmoniska material som grafen.

Framväxande beteende

Tanken att använda ljus för att ändra ett material egenskaper har fått mycket vetenskaplig uppmärksamhet nyligen. Dock, många av de publicerade exemplen genomsyrar ett material med egenskaper som finns i ljusstrålningen (t.ex. genom att bestråla ett material med cirkulärt polariserat ljus, ett material kan förvärva en kiralitet eller handhet) eller kvantitativt förbättra en egenskap som redan fanns i materialet.

Song och Rudners forskning, i motsats till dessa tillvägagångssätt, har gått mycket längre, de säger.

"Vi fann att plasmonerna kan förvärva ett slags" separat liv "eller" uppkomst "med nya egenskaper som inte fanns i varken metallen som är värd för plasmonerna eller ljusfältet som drev den, "Tillade prof. Song. Plasmonens beteende var framträdande i den meningen att det bröt de inneboende symmetrierna hos både ljusfältet och metallen.

Framväxande beteende, där helheten är mer än summan av dess delar, uppstår när många partiklar interagerar med varandra för att agera på ett kollektivt sätt. Det är ansvarigt för en rad användbara faser av materia som ferromagneter och superledare som vanligtvis styrs av temperaturen. Teamets forskning utvidgar denna idé till plasmoner och föreslår hur den kan kontrolleras genom ljusbestrålning.

"På ett djupare plan, det finns många grundläggande frågor att utforska om arten av den spontana symmetri som bryter ("framväxten") i icke-jämvikt, som vi förutspådde, sa docent Rudner.

Asst Prof Song, en National Research Foundation (NRF) i Singapore, gick med på, säger "Det kanske mest meningsfulla hemmeddelandet i vårt arbete är att det visar att kollektiva lägen kan uppvisa distinkta nya faser. Om plasmonisk magnetism är möjlig, vilka andra faser av kollektiva sätt väntar på att avslöjas? "