Potentialen med kvantteknik är enorm men är idag till stor del begränsad till de extremt kalla miljöerna i laboratorier. Nu har forskare från Stockholms universitet, Nordiska institutet för teoretisk fysik och Ca' Foscari-universitetet i Venedig lyckats visa för allra första gången hur laserljus kan inducera kvantbeteende vid rumstemperatur — och göra icke-magnetiska material magnetiska. Genombrottet förväntas bana väg för snabbare och mer energieffektiva datorer, informationsöverföring och datalagring.
Inom några decennier förväntas kvantteknologins framfart revolutionera flera av samhällets viktigaste områden och bana väg för helt nya tekniska möjligheter inom kommunikation och energi. Av särskilt intresse för forskare inom området är de speciella och bisarra egenskaperna hos kvantpartiklar – som helt avviker från den klassiska fysikens lagar och kan göra material magnetiska eller supraledande.
Genom att öka förståelsen för exakt hur och varför denna typ av kvanttillstånd uppstår, är målet att kunna kontrollera och manipulera material för att erhålla kvantmekaniska egenskaper.
Hittills har forskare bara kunnat framkalla kvantbeteenden, såsom magnetism och supraledning, vid extremt kalla temperaturer. Därför är potentialen för kvantforskning fortfarande begränsad till laboratoriemiljöer.
Nu har en forskargrupp från Stockholms universitet och Nordic Institute of Theoretical Physics (NORDITA) i Sverige, University of Connecticut och SLAC National Accelerator Laboratory i USA, National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan, Elettra-Sincrotrone Trieste. , "Sapienza"-universitetet i Rom och Ca' Foscari-universitetet i Venedig i Italien, är först i världen att i ett experiment demonstrera hur laserljus kan inducera magnetism i ett icke-magnetiskt material vid rumstemperatur.
I studien, publicerad i Nature , utsatte forskarna kvantmaterialet strontiumtitanat för korta men intensiva laserstrålar med en speciell våglängd och polarisation, för inducerad magnetism.
"Innovationen i denna metod ligger i konceptet att låta ljus flytta atomer och elektroner i detta material i cirkulär rörelse, för att generera strömmar som gör det lika magnetiskt som en kylskåpsmagnet. Det har vi kunnat göra genom att utveckla ett nytt ljus källa i fjärrinfrarött med en polarisation som har en "korkskruv"-form", säger forskningsledaren Stefano Bonetti vid Stockholms universitet och vid Ca' Foscari-universitetet i Venedig.
"Detta är första gången vi har kunnat inducera och tydligt se hur materialet blir magnetiskt vid rumstemperatur i ett experiment. Dessutom tillåter vårt tillvägagångssätt att göra magnetiska material av många isolatorer, när magneter vanligtvis är gjorda av metaller. I på lång sikt öppnar detta för helt nya tillämpningar i samhället."
Metoden bygger på teorin om "dynamisk multiferroicitet", som förutspår att när titanatomer "rörs upp" med cirkulärt polariserat ljus i en oxid baserad på titan och strontium, kommer ett magnetfält att bildas. Men det är först nu som teorin kan bekräftas i praktiken. Genombrottet förväntas ha breda tillämpningar inom flera informationsteknologier.
"Detta öppnar upp för ultrasnabba magnetomkopplare som kan användas för snabbare informationsöverföring och avsevärt bättre datalagring, och för datorer som är betydligt snabbare och mer energieffektiva", säger Alexander Balatsky, professor i fysik vid NORDITA.
Faktum är att resultaten från teamet redan har reproducerats i flera andra laboratorier, och en publikation i samma nummer av Nature visar att detta tillvägagångssätt kan användas för att skriva, och därmed lagra, magnetisk information. Ett nytt kapitel i att designa nya material med hjälp av ljus har öppnats.
Mer information: Stefano Bonetti, Terahertz elektriskt fältdriven dynamisk multiferroicitet i SrTiO3 , Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07175-9. www.nature.com/articles/s41586-024-07175-9
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Stockholms universitet
