Исследователям из Базельского университета и ETH в Цюрихе удалось изменить полярность специального ферромагнетика с помощью лазерного луча. В будущем этот метод можно будет использовать для создания адаптируемых электронных схем со светом.
В ферромагнетике действуют объединенные силы. Чтобы стрелка компаса указывала на север или магнит на холодильник прилипал к дверце холодильника, внутри них вращаются бесчисленные электроны, каждый из которых создает лишь крошечное магнитное поле, и все они должны выстроиться в одном направлении. Это происходит за счет взаимодействий между спинами, которые должны быть сильнее, чем неупорядоченное тепловое движение внутри ферромагнетика. Если температура материала ниже критического значения, он становится ферромагнитным.
И наоборот, чтобы изменить полярность ферромагнетика, обычно необходимо сначала нагреть его выше критической температуры. Затем спины электронов могут переориентироваться, и после охлаждения магнитное поле ферромагнетика в конечном итоге указывает в другом направлении.
Группе исследователей под руководством профессора доктора Томаша Смоленского из Базельского университета и профессора доктора Атача Имамоглу из ETH в Цюрихе теперь удалось добиться такой переориентации, -используя только свет-без какого-либо нагрева. Они опубликовали свои результаты вПрирода.
Взаимодействия и топология
«Что интересно в нашей работе, так это то, что мы объединяем три основные темы современной физики конденсированного состояния в одном эксперименте: сильные взаимодействия между электронами, топологию и динамическое управление», — говорит Имамоглу.
Для этого исследователи использовали специальный материал, состоящий из двух пластинчатых-тонких слоев органического полупроводника дителлурида молибдена, слегка скрученных относительно друг друга.
В таких материалах могут формироваться-так называемые топологические состояния. Проще говоря, топологические состояния можно охарактеризовать по тому, как они выглядят: шар (без дырки) или пончик (одна дырка). Важно отметить, что шар нельзя превратить в пончик простой деформацией, а это означает, что топологические состояния определены однозначно и навсегда.
В новых экспериментах, проводимых совместно-Смоленским и Имамоглу, электроны могли настраиваться между такими топологическими состояниями, которые являются изолирующими, и металлическими состояниями, которые являются проводящими. Примечательно, что взаимодействия заставляют спины электронов в обоих состояниях выравниваться параллельно друг другу, превращая материал в ферромагнетик.
«Наш главный результат заключается в том, что мы можем использовать лазерный импульс для изменения коллективной ориентации спинов», — говорит Оливье Хубер, доктор философии. студент ETH, который проводил эксперименты вместе со своими коллегами Килианом Кульбродтом и Томашем Смоленским. Несколько лет назад это уже делалось для одиночных электронов, но теперь достигнуто «переключение» или смена полярности всего ферромагнетика.
«Это переключение было постоянным, и, более того, топология влияет на динамику переключения», — говорит Смоленский.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса с помощью более чем100 000 подписчиковкоторые полагаются на Phys.org для получения ежедневной информации. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте новости о прорывах, инновациях и важных исследованиях.-ежедневно или еженедельно.
Подписаться
Динамический контроль ферромагнетика
Таким образом, с помощью лазерного импульса можно также провести новые граничные линии, внутри которых находится топологическое ферромагнитное состояние. Это можно делать неоднократно, так что становится возможным динамическое управление топологическими и ферромагнитными свойствами.
Чтобы показать, что крошечный ферромагнетик размером всего несколько микрометров действительно изменил свою полярность, исследователи измерили отражение второго, гораздо более слабого лазерного луча. Это отражение выявило ориентацию спинов электронов.
«В будущем мы сможем использовать наш метод для оптической записи произвольных и адаптируемых топологических схем на чипе», — говорит Смоленский. Этот подход затем можно будет использовать для создания крошечных интерферометров, с помощью которых можно будет измерять чрезвычайно малые электромагнитные поля.
