Atomtunna van der Waals-magneter ses allmänt som det ultimata kompakta mediet för framtida magnetisk datalagring och snabb databehandling. Styr det magnetiska tillståndet för dessa material i realtid, dock, har visat sig svårt. Men nu, ett internationellt team av forskare under ledning av Delft University of Technology (TU Delft) har lyckats använda ljus för att ändra anisotropin hos en van der Waals antiferromagnet på begäran, banar väg för nya, extremt effektiva sätt att lagra data.

De tunna atomskikten som utgör van der Waals magneter kan verka extremt ömtåliga, men de kan vara cirka 200 gånger starkare än stål. Tyvärr, denna mekaniska styrka översätts inte nödvändigtvis till starka magnetiska egenskaper. Anledningen till detta är att i två dimensioner, den magnetiska ordningen hos dessa magneter blir särskilt känslig för värme. Varje temperatur över den absoluta nollpunkten (-273 °C) aktiverar slumpmässiga fluktuationer i orienteringen av de mikroskopiska snurrarna, som helt kan kollapsa den magnetiska ordningen. Så tills vi kan kontrollera deras magnetiska tillstånd, löften om atomärt tunna magneter är just det:löften.

Kontrollerar magnetism

Det enda sättet att motverka de termiska agitationerna är att sticka magnetiska spinn mer åt vissa riktningar i materialet än till andra. Eller, som fysiker kallar det:att inducera magnetisk anisotropi. Om du gör det blir det svårare för snurr att ändra sin orientering, därigenom höjer deras beställningstemperatur (känd som Curie-temperaturen) långt över absoluta nollpunkten. Kontrollerar anisotropi i lågdimensionella magneter, med andra ord, banar en direkt väg för att kontrollera deras beställningstemperatur och därmed själva magnetismen.

I deras studie, det internationella laget, som bestod av forskare från Nederländerna, Spanien och Ukraina, använde ultrakorta ljuspulser, en biljon gånger kortare än en enda sekund, för att inducera den magnetiska anisotropin i en tvådimensionell van der Waals antiferromagnet. Varför använda ljus? "Eftersom det är en mycket bekväm kontrollknapp, " Dr Andrea Caviglia förklarar. "Du kan enkelt och snabbt slå på och av den och därför manipulera anisotropin på begäran, vilket är precis vad vi behöver om vi vill börja använda dessa material för effektiv datalagring."

Justera färgen

Genom att systematiskt variera ljusets färg från synligt till nära-infrarött, forskarna fann också att inte alla typer av ljus kan generera magnetisk anisotropi. För att framkalla denna egenskap, ljusets färg måste matcha den energi som krävs för att ändra elektronens omloppstillstånd. Det vill säga:att förändra hur elektroner virvlar runt en positivt laddad kärna. Eftersom elektronspinnet och dess omloppsrörelse är tätt sammanlänkade, ljusexcitationerna inducerar anisotropi, vilket resulterar i en tvådimensionell spin-vågsrörelse. "Denna rörelse är koherent - hela spin-ensemblen rör sig i fas vid höga frekvenser, säger Jorrit Hortensius, en Ph.D. student vid TU Delft. "Detta är en elegant och samtidigt praktiskt taget universell lösning för att manipulera magnetisk anisotropi i praktiskt taget vilken tvådimensionell magnet som helst."

I detta proof-of-princip-experiment, teamet visade att anisotropi kan fotoinduceras under en liten bråkdel av tiden, nästan samma som varaktigheten av ljuspulsen. Dock, För praktiska tillämpningar måste förändringarna av magneten upprätthållas under en längre tid. Forskarna hoppas att ljuspulser med en längre varaktighet kan hjälpa till att nå detta mål. Dr Dmytro Afanasiev, som för närvarande arbetar vid University of Regensburg säger:"Vi hoppas att längre ljuspulser till och med kan främja den magnetiska ordningen över jämviktsordningens temperatur, så att vi i realtid kan se hur det ordnade tillståndet uppstår från magnetiskt kaos. Detta kommer säkerligen att öka vår förståelse av magnetism i dessa van der Waals-magneter."

Studien publiceras i Vetenskapens framsteg .