Enorma ansträngningar görs över hela världen inom ett tekniskt område som vida kan överträffa kapaciteten hos konventionell elektronik:Spintronics. Istället för att arbeta baserat på den kollektiva rörelsen av laddade partiklar (elektroner), spintronic-enheter kan utföra minneslagring och dataöverföring genom att manipulera spin, en inneboende egenskap hos elementarpartiklar relaterad till rörelsemängd och från vilken många magnetiska egenskaper i material uppstår. Tyvärr, att kontrollera spinn har visat sig vara en utmanande strävan, leder fysiker och ingenjörer att leta efter effektiva material och tekniker för att göra det.

I detta avseende antiferromagnetiska material (AFM) är goda kandidater för spintronik eftersom de är resistenta mot externa magnetfält och gör det möjligt att byta spin-värden i tidsskalor av pikosekunder. En lovande strategi för att manipulera spinnorientering i AFM:er är att använda en optisk laser för att skapa extremt kortlivade magnetfältspulser, ett fenomen som kallas den omvända Faraday-effekten (IFE). Även om IFE i AFM genererar två mycket distinkta typer av vridmoment (rotationskraft) på deras magnetisering, det verkar nu som om den viktigaste av de två på något sätt har försummats i forskningen.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Naturkommunikation , en trio av forskare, inklusive professor Takuya Satoh från Tokyo Tech, Japan, grävde djupt i denna fråga. Spindynamik i AFM beskrivs med en summa av två termer:fältliknande vridmoment och dämpningsliknande vridmoment. Den senare, som ordet "dämpning" antyder, är relaterad till den gradvisa avklingningen (eller avdödande) av de spinnsvängningar som utlöses av de optiska pulserna på materialet.

Tills nu, forskare studerade det dämpningsliknande vridmomentet endast ur perspektivet av spinavslappning efter excitation, tro att dess amplitud är liten under den ultrakorta spinnexcitationsprocessen. I den här studien, dock, Prof Satoh och kollegor fann att det var, i vissa fall, huvudaktören när det gäller snurrorientering på grund av IFE. Genom teoretiska analyser och experimentell verifiering i både YMnO3 och HoMnO3, de klargjorde villkoren under vilka dämpningseffekten blir den dominerande spinnexciteringsmekanismen.

En förenklad tolkning av resultaten kan vara följande. Föreställ dig en hängande pendel (magnetiseringsriktning) som svänger i breda bågar, rita en mycket uttalad ellips. Det dämpningsliknande vridmomentet ger en stor momentan störning i riktning mot den lilla diametern, "vippa av den" och få den att luta som en snurra som håller på att falla. "Den annars lilla dämpningsrelaterade magnetiseringen orsakar en stor spinnkantning på grund av den extrema elliptiska förmågan som är inneboende i AFM, " förklarar Prof Satoh. "Med tanke på att det är möjligt att justera styrkan på dämpningen genom att strategiskt välja joner i AFM, vi kanske har hittat ett sätt att justera materialegenskaper för specifika spintroniska applikationer, " han lägger till.

Forskartrion testade också hur spindynamiken påverkas av temperatur, som påverkar och till och med förstör den antiferromagnetiska ordningen förbi vissa trösklar. Genom att placera materialen nära de kritiska övergångspunkterna, de lyckades producera en mer uttalad effekt från dämpande vridmoment. Spännande över resultatet, Prof Satoh kommenterar:"Våra resultat indikerar att optiskt genererade vridmoment kan utgöra det länge eftertraktade verktyget som möjliggör effektiv realisering av ultrasnabb spinnväxling i AFM."

Även om mycket mer forskning säkert kommer att behövas innan tillämpad spintronik blir verklighet, att avslöja effektiva mekanismer för spinnmanipulation är uppenbarligen bland de första stegen. Denna studie bevisar att sådana mekanismer kan vara dolda i fenomen vi känner till och försummar!