Forskare har upptäckt ett nytt sätt att manipulera magneter med laserljuspulser som är kortare än en biljonedel av en sekund.

Det internationella forskarteamet, ledd av Lancaster och Radboud universitet, identifierade också ljusvåglängden eller färgen som möjliggör den mest effektiva manipulationen. Fyndet publiceras i Fysiska granskningsbrev .

Magneter har fascinerat människor sedan antiken, men fram till för hundra år sedan förblev den teoretiska förståelsen av magnetism mycket svårfångad. Genombrottet i förståelsen inträffade med utvecklingen av kvantmekanik och upptäckten av det faktum att varje elektron har ett inneboende magnetiskt moment eller snurr.

Snurren kan ses som en elementär "kompassnål, "typiskt avbildad som en pil som visar riktningen från nord- till sydpolen. I magneter är alla snurr inriktade längs samma riktning av kraften som kallas utbytesinteraktion. Utbytesinteraktionen är en av de starkaste kvanteffekterna som är ansvariga för själva existensen av magnetiska material.

Styrkan i utbytesinteraktionen kan uppskattas av det faktum att den genererar magnetfält 10, 000 gånger starkare än jordens magnetfält. En annan manifestation av dess styrka är det faktum att den kan driva snurr att rotera med en biljardelsekund och ännu snabbare.

Att manipulera utbytesinteraktionen skulle vara det mest effektiva och i slutändan snabbaste sättet att kontrollera magnetism. För att uppnå detta resultat, forskarna använde den snabbaste och starkaste stimulansen som finns:ultrakort laserpuls excitation.

Dock, för att upptäcka/observera ljusets effekt på magnetism skulle man behöva en ultrasnabb magnetometer - en enhet som skulle kunna spåra dynamiken hos snurr med mindre än en biljondel av en andra upplösning. Detta är mycket snabbare än den tidsmässiga upplösningen för modern elektronik.

Men författarna har hittat en lösning på detta problem, som huvudforskaren Dr. Rostislav Mikhaylovskiy från Lancaster University förklarar:"Snurren svänger vid Terahertz -frekvenser nästan en biljon gånger snabbare än standardkraftfrekvensen på 50 Hz. Tack vare så höga oscillationsfrekvenser, snurrarna fungerar som effektiva antenner som avger elektromagnetisk strålning. Genom att analysera egenskaperna hos den utsända strålningen kan vi extrahera information om den ultrasnabba magnetiseringsdynamik som utlöses av den optiska styrningen av växelkrafterna. "

Genom att systematiskt variera färgen på excitationslaserpulserna från rött till blått, forskarna kunde identifiera ljusvåglängden för vilken ljusets effekt på magnetismen är den starkaste.

Dr Mikhaylovskiy sa:"Det var mycket viktigt att se att ljusets effekt på utbytesinteraktionen verkligen existerar. Genom att justera ljusets våglängd eller färg började vi förstå hur vi kan förbättra denna effekt."

Denna spännande upptäckt öppnar en ny forskningslinje vid Lancaster University under ledning av Dr Mikhaylovskiy. Nästa steg är att utföra systematiska studier av den ultrasnabba kontrollen av magnetism inom ett brett spektralintervall, att jämföra effektiviteten för pumpning i fjärran, mitten av infrarött och synligt område och därmed för att identifiera det mest effektiva såväl som det snabbaste tillvägagångssättet för manipulation av snurr. För detta ändamål har ett nytt lasersystem som kan producera laserpulser i alla dessa frekvensområden tagits i drift.