Forskare vid universitetet i Konstanz har upptäckt en ny typ av ultrasnabb magnetisk omkoppling genom att undersöka fluktuationer som normalt tenderar att störa experiment som brus.
Brus på radion när mottagningen är dålig är ett typiskt exempel på hur fluktuationer maskerar en fysisk signal. Faktum är att sådana störningar eller brus förekommer i varje fysisk mätning utöver den faktiska signalen.
"Även på den ensammaste platsen i universum, där det inte borde finnas något alls, finns det fortfarande fluktuationer i det elektromagnetiska fältet", säger fysikern Ulrich Nowak.
I Collaborative Research Center (CRC) 1432 "Fluctuations and Nolinearities in Classical and Quantum Matter beyond Equilibrium" vid universitetet i Konstanz ser forskarna inte detta allestädes närvarande brus som en störande faktor som måste elimineras utan som en källa till information som berättar något om signalen.
Detta tillvägagångssätt har nu visat sig vara framgångsrikt när man undersöker antiferromagneter. Antiferromagneter är magnetiska material där magnetiseringarna av flera sub-gitter tar ut varandra. Ändå anses antiferromagnetiska isolatorer lovande för energieffektiva komponenter inom informationsteknikområdet. Eftersom de knappt har några magnetfält på utsidan är de mycket svåra att karakterisera fysiskt. Ändå är antiferromagneter omgivna av magnetiska fluktuationer, vilket kan berätta mycket om detta svagt magnetiska material.
I denna anda analyserade grupperna av de två materialforskarna Ulrich Nowak och Sebastian Gönnenwein fluktuationerna hos antiferromagnetiska material i samband med CRC. Den avgörande faktorn i deras teoretiska såväl som experimentella studie, nyligen publicerad i tidskriften Nature Communications , var det specifika frekvensområdet.
– Vi mäter mycket snabba fluktuationer och har utvecklat en metod med vilken fluktuationer fortfarande kan upptäckas på den ultrakorta tidsskalan femtosekunder, säger experimentfysikern Gönnenwein. En femtosekund är en miljondels miljarddels sekund.
På långsammare tidsskalor skulle man kunna använda elektronik som är tillräckligt snabb för att mäta dessa fluktuationer. På ultrasnabba tidsskalor fungerar detta inte längre, varför ett nytt experimentellt tillvägagångssätt måste utvecklas. Den bygger på en idé från forskargruppen Alfred Leitenstorfer, som också är medlem i Collaborative Research Center. Med laserteknik använder forskarna pulssekvenser eller pulspar för att få information om fluktuationer.
Inledningsvis utvecklades denna mätmetod för att undersöka kvantfluktuationer, och har nu utvidgats till fluktuationer i magnetiska system. Takayuki Kurihara från University of Tokyo spelade en nyckelroll i denna utveckling som tredje samarbetspartner. Han var medlem i forskargruppen Leitenstorfer och Zukunftskolleg vid universitetet i Konstanz från 2018 till 2020.
I experimentet sänds två ultrakorta ljuspulser genom magneten med en tidsfördröjning, vilket testar de magnetiska egenskaperna under respektive pulss transittid. Ljuspulserna kontrolleras sedan för likhet med hjälp av sofistikerad elektronik. Den första pulsen fungerar som referens, den andra innehåller information om hur mycket antiferromagneten har förändrats under tiden mellan den första och andra pulsen. Olika mätresultat vid de två tidpunkterna bekräftar fluktuationerna. Nowaks forskargrupp modellerade också experimentet i utarbetade datorsimuleringar för att bättre förstå dess resultat.
Ett oväntat resultat var upptäckten av vad som kallas telegrafbrus på ultrakorta tidsskalor. Det betyder att det inte bara finns osorterat brus, utan även fluktuationer där systemet växlar fram och tillbaka mellan två väldefinierade tillstånd. Sådan snabb, rent slumpmässig växling har aldrig observerats tidigare och kan vara intressant för applikationer som slumptalsgeneratorer. Hur som helst erbjuder de nya metodiska möjligheterna att analysera fluktuationer på ultrakorta tidsskalor stor potential för ytterligare upptäckter inom området funktionella material.
Mer information: M. A. Weiss et al, Upptäckt av ultrasnabb spontan spinnväxling i en antiferromagnet genom femtosekundsbruskorrelationsspektroskopi, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43318-8
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Konstanz
