Ett internationellt team som leds av forskare vid Delft University of Technology (TU Delft) har lyckats manipulera det magnetiska tillståndet hos ett magnetiskt material genom att optiskt skaka det. Hela processen sker inom en extremt kort tidsram på mindre än några få pikosekunder. I tider med stoppande effektivitetstrender för nuvarande teknik, sådan atomdriven ultrasnabb kontroll av magnetism öppnar vida nya vyer för informationsteknik. Resultaten, som har publicerats i Naturmaterial , så småningom kan leda till snabb och energieffektiv teknik för databehandling, som är viktiga för att hålla jämna steg med vår datahunger.

Enligt Dick Tracy - den berömda seriefiguren som debuterade tidigt 1931 - kommer nationen som styr magnetismen att styra universum. Man kan hävda att i dag, denna idé låter mycket mer trovärdig än den gjorde då. Magnetiska material används mycket i det moderna livet, med applikationer som sträcker sig från kylmagneter till Big Techs datacenter, som använder dem för att lagra information.

Kristallgitter och magnetism

Vår ständigt ökande efterfrågan på databehandling kräver nya metoder för att manipulera och kontrollera tillståndet för magnetiska material på korta tidsperioder. Dessa material är värd för biljoner av ömsesidigt inriktade elementära magnetiska ögonblick, kallas snurrar, vars arrangemang huvudsakligen bestäms av arrangemanget av atomerna i kristallgitteret. Därför, den mest naturliga vägen mot kontroll av magnettillståndet är att ändra kristallkonfigurationen.

Högt mekaniskt tryck krävs normalt för att få tillräcklig inverkan på magnetiska egenskaper, som kan uppnås med hjälp av en stor hydraulisk press. Dock, applicering av en mekanisk stam är i sig en mycket långsam process. Ett internationellt team av forskare från Delft, Nijmegen, Lancaster, Liège och Kiev har nu föreslagit och experimentellt realiserat en elegant lösning på detta problem. Använda ljus för att optiskt skaka en magnet genom resonansstimulering av specifika atomvibrationer i gallret, de lyckades ändra dess magnetiska tillstånd.

En konstnärlig syn på den nya magnetiska ordningen som uppstår efter att optiskt skakat atomerna. De välordnade blå och röda atomerna och spinnarna representerar den nya magnetiska ordningen.

Skakar med ljus

"Vi skakar optiskt gallret hos en antiferromagnet dysprosium ortoferrit, en magnet som består av växlande upp och ner små magnetiska moment och därför inte har en nettomagnetisering, till skillnad från de välkända kylskåpsmagneterna, "säger TU Delft postdoktor Dmytro Afanasiev. Efter att ha skakat kristallen under en mycket kort tid, forskarna mätte hur de magnetiska egenskaperna utvecklades. De fann att antiferromagnetens magnetiska system förändras efter skakningen, så att en nettomagnetisering visas:för en bråkdel av tiden, materialet liknar en daglig kylskåpsmagnet.

Viktigt, allt detta sker inom en aldrig tidigare skådad kort tidsperiod på mindre än några få pikosekunder (miljonedel av en miljonedel av en sekund). Detta är inte bara storleksordningar kortare än inspelningstiden på moderna datorhårddiskar, men närmar sig den grundläggande gränsen för omkopplingsprocessen. Detta innebär att magnetbitar i framtida hårddiskar skulle kunna skrivas mycket snabbt med denna nya metod.

Afanasiev betonar behovet av att utforska denna forskningsriktning ytterligare:"Dessa fynd kommer att stimulera ytterligare forskning om att utforska och förstå de exakta mekanismerna som styr den ultrasnabba gitterkontrollen av det magnetiska tillståndet." Andrea Caviglia, docent och forskargruppsledare vid TU Delft, tillägger:"Att förstå denna typ av vetenskap kommer inte att låta oss styra hela universum, som Dick Tracy trodde. Men det kan låta oss styra ett viktigt och tekniskt inflytelserikt hörn av det. "