Вчені Массачусетського технологічного інституту та їхні колеги не тільки знайшли новий спосіб маніпулювання магнетизмом у матеріалі за допомогою світла, а й відкрили рідкісну форму матерії. Перше може призвести до програм, включаючи пристрої зберігання даних комп'ютера, які можуть зчитувати або записувати інформацію набагато швидше, а друге вводить нову фізику.
Як багато хто знає, тверда речовина складається з різних типів елементарних частинок, таких як протони і нейтрони. Також у ньому повсюдно зустрічаються «квазічастинки», з якими люди менш знайомі.
До них належать ексітони, які складаються з електрону і «дірки», або простір, що залишається позаду, коли світло падає на матеріал, а енергія фотону змушує електрон вистрибувати зі свого звичайного положення. Однак завдяки таємницям квантової механіки електрон і дірка все ще пов'язані і можуть «спілкуватися» один з одним за допомогою електростатичних взаємодій.
«Ексітони можна розглядати як пакети енергії, що поширюються по системі», - говорить Едоардо Бальдіні, один з двох провідних авторів статті про роботу в Nature Communications.
"Ексітони в цьому матеріалі досить унікальні тим, що вони пов'язані з магнетизмом у системі. Було вельми вражаюче мати можливість "підштовхнути" ексітони світлом і спостерігати пов'язані з цим зміни в магнетизмі ", - говорить Карина Белвін, співавтор дослідження.
Керування магнетизмом
Поточна робота пов'язана зі створенням незвичайних ексітонів у матеріалі трисульфід нікелю і фосфору (NiPS3). Ці ексітони «одягнені» або схильні до впливу навколишнього середовища. В даному випадку таким середовищем є магнетизм. «Отже, ми виявили, що, збуджуючи ці ексітони, ми дійсно можемо керувати магнетизмом у матеріалі», - кажуть вчені.
Магніт працює завдяки властивості електронів, званому спином (інша, більш знайома властивість електронів - їх заряд).
Спін можна уявити собі як елементарний магніт, в якому електрони в атомі подібні до маленьких голочок, що орієнтується певним чином. Наприклад, у магнітах на холодильнику всі спини (обертання) спрямовані в одному напрямку, а матеріал відомий як ферромагнетик.
У матеріалі, використаному командою Массачусетського технологічного інституту, обертання, що чергуються, спрямовані в протилежні сторони, утворюючи антиферромагнетик.
Фізики виявили, що імпульс світла змушує кожну з маленьких електронних «голок» в NiPS3 починати обертатися по колу. Обертаються спини синхронізовані і утворюють хвилю в усьому матеріалі, відому як спинова хвиля. Спинові хвилі можна використовувати в спиновій електроніці або спинтроніці - області, що з'явилася в 1960-х роках.
Спінтроніка по суті використовує обертання електронів, щоб вийти за рамки електроніки, яка заснована на їх заряді.
Здатність створювати спинові хвилі в антисегнетоелектричному матеріалі може призвести до створення майбутніх комп'ютерних запам'ятовуючих пристроїв, які зможуть зчитувати або записувати інформацію набагато швидше, ніж пристрої, засновані тільки на електроніці.
"Ми ще не досягли цього. У нашій статті ми продемонстрували процес, який лежить в основі когерентного перемикання доменів: наступним кроком буде фактичне перемикання доменів ", - говорить Едоардо Бальдіні.
Рідкісна форма матерії
Завдяки своїй роботі вчені також продемонстрували рідкісну форму матерії.
Коли фізики піддали NiPS3 впливу інтенсивних імпульсів світла, вони виявили, що він перетворився на металевий стан, який проводить електрони, зберігаючи при цьому свій магнетизм.
NiPS3 зазвичай є ізолятором (матеріалом, який не проводить електрони). «Дуже рідко буває антиферромагнетик і металевий стан в одному і тому ж матеріалі», - кажуть дослідники.
Фізики вважають, що це відбувається тому, що інтенсивне світло змушує ексітони стикатися один з одним і розпадатися на складові: електрони і дірки.
«Ми фактично руйнуємо екситони, щоб електрони і дірки могли рухатися, як у металі», - говорить Едоардо Бальдіні. Але ці рухомі частинки не взаємодіють з локалізованими електронними спинами, що беруть участь у спиновій хвилі, тому магнетизм зберігається.
Він описує експериментальну установку як «ігровий майданчик для спостереження за фізикою багатьох тіл», яку він визначає як «елегантну взаємодію між різними тілами, такими як ексітони і спинові хвилі». «Що мені дійсно сподобалося в цій роботі, так це те, що вона показує складність навколишнього нас світу» - підсумував Едоардо Бальдіні.
Дослідження було опубліковано в Nature Communications.