Brug af lasere til at magnetisere ikke-magnetiske stoffer kan transformere moderne computere

Kvanteregning har et enormt potentiale. Den kan fuldstændigt transformere industrier og ændre den måde, vi forstår universet på. Ved at kombinere principperne fra kvantemekanik med datalogi gør kvanteregning det muligt at løse komplekse problemer med lethed ved at behandle enorme datamængder parallelt og udforske flere løsninger. 

På denne måde kan kvantecomputere hjælpe med lægemiddelforskning, klimamodellering, forbedring af AI‑kapaciteter og løsning af optimeringsproblemer. De har også potentiale inden for cybersikkerhed ved at bryde eksisterende krypteringsmetoder og skabe uknækkelige kvantekrypteringssystemer.

Gennem årene har vi gjort betydelige fremskridt inden for kvanteregning, herunder kvantesupremati, fejlkorrektionskoder og skybaserede kvantecomputere. Disse fremskridt har dog stort set været begrænset til de ekstremt kolde temperaturer i laboratorier, hvilket kan være ved at ændre sig. 

Nu har forskere ved Nordic Institute for Theoretical Physics (NORDITA), et samarbejde mellem de fem nordiske lande, Stockholm University og Ca’ Foscari University of Venice, med succes demonstreret kvanteadfærd ved stuetemperatur ved at udnytte laserlys. For første gang var laserlys i stand til at gøre ikke-magnetiske materialer magnetiske.

Det er af allerstørste betydning, fordi magnetisme spiller en central rolle i, hvordan en computer fungerer. Computerhukommelse bruger små elektromagneter, der magnetiseres med spænding for at muliggøre de binære tilstande “tændt” eller “slukket”. Den måde, atomer og elektroner reagerer på magnetfelter, gør det muligt for elektroniske enheder at læse, skrive og manipulere data.

I denne nye undersøgelse viste forskerne præcis, hvordan eksponering af et ikke-magnetisk materiale for højfrekvent laserstråling kan producere en magnetisk effekt ved stuetemperatur.

Det nye gennembrud har potentialet til at bane vejen for mere energieffektive og hurtigere computere, informationsoverførsel og datalagring. Det viser en utrolig lovende mulighed for at revolutionere elektronik, især de maskiner, der er bygget med kvanteteknologi, som typisk opererer ved temperaturer omkring det absolutte nulpunkt (-273 grader Celsius).

Gøre ikke-magnetiske materialer magnetiske

I den seneste undersøgelse brugte forskerne strontiumtitanat (SrTiO₃), en oxid af den stærkt kemisk reaktive strontium (Sr) og letvægts titanium (Ti). Ved temperaturer, som er beboelige for mennesker, har den en perovskite‑struktur og er kendt for sin høje dielektriske konstant.

Dette materiale blev udsat for lys fra en højfrekvent laser, som rørte ved atomerne og mobiliserede dem. Dette genererede elektriske strømme inden i strontiumtitanat, hvilket gjorde det magnetisk.

Når de taler om nyheden i deres metode, sagde studiets hovedforfatter Stefano Bonetti, en fysiker ved Stockholm University og Ca’ Foscari, at det var:

“I konceptet med at lade lys flytte atomer og elektroner i dette materiale i en cirkulær bevægelse, så der genereres strømme, der gør det så magnetisk som et køleskabs­magnet.”

At gøre ikke-magnetisk materiale magnetisk er dog ikke noget nyt. Det er tidligere blevet forudsagt og undersøgt. 

Tilbage i 2015, Nature offentliggjorde forskning, der opdagede, at kobber og mangan, to almindelige ikke-magnetiske metaller, kan omdannes til magneter ved at kombinere tynde film af metallerne med kulbaserede organiske molekyler. Selvom resultaterne blev opnået ved stuetemperatur, var magnetismen svag og forsvandt efter et par dage.

Dette eksperiment var baseret på en teori fra 1930’erne af den teoretiske fysiker Edmund Stoner fra University of Leed, som undersøgte, hvad der gør det muligt for et grundstof at være magnetisk.

I 2020 var et forskerteam også i stand til at modificere ikke-magnetiske oxidmaterialer og gøre dem magnetiske gennem kontrolleret lag-for-lag vækst af hvert materiale. Samme år brugte et andet forskerteam elektricitet til at tænde magnetisme i den ikke-magnetiske pyrit eller jernsulfid. teknikken, der blev brugt i denne undersøgelse, var elektrolyt-gating, som involverede at have pyrit i kontakt med en elektrolyt (ionisk væske) og derefter anvende en volt elektricitet, der flyttede positivt ladede molekyler og skabte en målbar magnetisk kraft. I dette tilfælde slukkede frakobling af spændingen magnetismen også.

At bruge lys til at ændre et materiales egenskaber har også i længere tid fået betydelig videnskabelig opmærksomhed.

Sagen er, at magneter og det magnetiske felt normalt genereres af cirkulerende strømme. I 2019 belyste fysikere ikke-magnetiske metalplader med lineært polariseret lys, hvilket skabte cirkulerende elektriske strømme og fik magnetisme til spontant at opstå i skiven. I princippet kan denne metode gøre ikke-jernholdige metaller til magneter “on-demand” ved brug af laserlys.

Brug af lys til at rotere atomer & generere strøm

Magnetisering, der skyldes rotation på makroskopisk skala, er kendt som Barnett-effekten. Under denne effekt roteres et materiale fuldstændigt for at justere de iboende vinkelrotationer af de uordnede magnetiske materialers elektroner, så der genereres et samlet magnetisk felt indeni det.

I det nye eksperiment blev rotation på atomskala udført i ikke-magnetiske materialer ved at benytte cirkulært polariserede laserpulser. Pulserne roterede atomerne i materialet for at frembringe kollektive chirale fononer, som er cirkulært polariserede vibrationer, der er resonante med laserens frekvens.

Til dette blev en ny lyskilde udviklet i den fjerninfrarøde (FIR) region, som er cirkulært polariseret, hvilket betyder, at den har en ‘korkskruelignende’ form. Når laserlys med denne type polarisation trænger ind i et materiale, overføres den cirkulære polarisation til dets atomer ved at rotere dem og producere atomare strømme. Hvis lysets frekvens matcher atomets vibration, forstærkes effekten, og som resultat produceres en ret stor magnetisme.

Således udsatte eksperimentet, som blev udført af den internationale gruppe ledet af Bonetti, det kvantemateriale strontiumtitanat (SrTiO3) for intense men korte laserstråler med en særpræget bølgelængde og polarisation for at inducere magnetisme. De 800‑nm, picosekund‑lange pulser blev udsendt fra en 100‑µm fjerninfrarød laser.

Specifikt blev Kerr-rotationen af probe‑pulserne målt. Holdet brugte også forskellige temperaturer fra 160 til 360 Kelvin. Dette viste, at den højeste respons blev opnået ved 280 K (7 °C). På dette punkt var pulsernes terahertz‑elektriske felt resonant med materialets første optiske fonon‑mode.

I denne seneste undersøgelse, der blev offentliggjort i Nature, bemærkede hovedforfatteren Bonetti, at det var første gang, de klart kunne inducere og se, hvordan materialet faktisk bliver magnetisk ved stuetemperatur.

Denne tilgang gjorde det desuden muligt for holdet “at lave magnetiske materialer ud af mange isolatorer, når magneter typisk er lavet af metaller,” tilføjede han.

I mellemtiden blev graden af magnetisering, der blev induceret via laserteknikken, målt ved hjælp af en etableret effekt, hvor lys reflekteres forskelligt fra et materiale afhængigt af dets magnetisme.

I deres eksperiment viste målingerne, at materialet var blevet magnetisk. Dog var størrelsen af den inducerede magnetisering, baseret på kendte teoretiske metoder til beregning af denne størrelse, omkring fire størrelsesordener større end forventet. Denne forskel blev tilskrevet forenklinger foretaget af fysikerne i deres beregninger.

En anden gruppe forskere brugte cirkulært polariserede infrarøde laserpulser til midlertidigt at inducere en magnetisk effekt i et ikke-magnetisk materiale.

Forskere fra Radboud University i Holland i samarbejde med Nihon University i Japan gjorde dette, men i stedet for konventionelle bredbåndspulser brugte de meget smalbåndspulser fra FELIX free‑electron lasers, hvilket gjorde det muligt for dem at målrette specifikke gittervibrationer ved resonans bedre. De brugte desuden den skabte magnetisering til at skifte en magnetisk legerings magnetisering.

Ifølge disse forskere kunne fononisk resonans bruges som en ny og hurtig måde at skrive data til magnetiske medier på. Ændring af den cirkulært polariserede lysrotations retning gjorde det også muligt for holdet at ændre magnetiseringens retning.

Den stigende brug af laserlys

Brugen af laserlys vokser hurtigt. Netop denne uge lavede forskere en ny opdagelse: En koncentreret laserstråle kan ændre et fast materiales magnetiske tilstand, hvilket viser et enormt potentiale i ultrahurtig computerhukommelse.

Til dette forberedte forskerne en ny “elementær” ligning, der beskriver sammenhængen mellem frekvensen og amplituden af lysets magnetfelt og energitabsegenskaberne for et magnetisk materiale.

Ifølge Amir Capua, fysikprofessor ved Hebrew University of Jerusalem:

“Det giver os mulighed for fuldstændigt at revurdere optisk magnetisk optagelse og bane vejen til en tæt, energieffektiv, omkostningseffektiv optisk magnetisk lagringsenhed, som endnu ikke engang eksisterer.”

Denne teknologi forventes at føre til hurtigere og mere effektive MRAM‑komponenter i fremtiden.

Det globale laserteknologimarked forventes faktisk at vokse til 29,5 mia. $ inden årtiet er omme, op fra den nuværende værdi på 20 mia. $. Disse tal skyldes laserens brede potentiale i forskellige industrier.

En laser er en optisk enhed, der producerer en lysstråle ved at stimulere udsendelse af stråling. På grund af dette lysets unikke egenskaber, såsom høj intensitet, koherens, monokromatisitet og retningsbestemthed, anvendes lasere bredt inden for medicin, kommunikation, videnskab, militæret og mere. Som følge heraf er der sket mange opfindelser og eksperimenter inden for laserområdet.

Senest har forskere i Rumænien skabt verdens mest kraftfulde laserudsendelse, som er en tiendedel af den kraft, solen udsender og som modtages på Jorden. Installeret på et center nær Bukarest, drevet af det franske firma Thales, rapporteres det, at laseren har en udgangseffekt på 10 petawatt (10 kvadrillion watt). Toppen blev kun opnået i en ekstremt kort periode, omkring 25 femtosekunder, og over en bredde på kun tre mikrometer.

Forskere håber, at laseren vil føre til revolutionerende fremskridt på tværs af sektorer fra sundhed til rumfart. Denne opfindelse kan anvendes til at behandle nukleart affald og rydde op i rumaffald.

I en anden nylig forskning realiserede RIKEN-fysikere meget korte laserpulser med en topkraft på 6 billion watt. Dette svarer til den kraft, der produceres af 6.000 atomkraftværker. Denne præstation skal hjælpe med at udvikle attosekundlasere, som kan muliggøre studiet af elektroner.

Sidste år blev Anne L’Huillier, Pierre Agostini og Ferenc Krausz tildelt Nobelprisen i fysik for deres forskning i attosekund‑ (en kvintillion af et sekund) pulser af lys.

Disse ultrakorte laserpulser kan hjælpe med at belyse ekstremt hurtige processer og give forskere en kraftfuld metode til at fange og undersøge dem.

“Ved at gøre det muligt at fange elektroners bevægelse har attosekundlasere ydet et væsentligt bidrag til grundforskning.”

– Eiji Takahashi fra RIKEN Center for Advanced Photonics

De forventes at blive brugt til at diagnosticere medicinske tilstande, observere biologiske celler og udvikle nye materialer.

Klik her for at lære, hvordan lasere vil spille en afgørende rolle i de kommende årtier.

Fremtidigt potentiale for laserinduceret magnetisme

Finansieret af en ERC Synergy Grant og Knut og Alice Wallenbergs Fond bemærkede undersøgelsen, der gjorde ikke-magnetiske materialer magnetiske ved stuetemperatur, at i fysik er et stofs kollektive orden en af de mest grundlæggende og fascinerende fænomener, og at dynamisk multiferroicitet er blevet introduceret for at beskrive fremkomsten af magnetisering.

“I enkle termer inducerer den koherente roterende bevægelse af ionerne i en krystal et magnetisk moment langs rotationsaksen,” stod der.

På grund af denne mekanisme var holdet i stand til at demonstrere magnetisering i den arketypiske paraelektriske perovskite SrTiO3. Disse resultater er allerede blevet reproduceret i flere andre laboratorier.

Dog blev materialets magnetisme kun opretholdt i omkring en trilliontedel af et sekund. Det har ikke været længe nok til at finde anvendelse i computerhukommelse.

Det sagt er dette et fremragende udgangspunkt, hvor forskere endelig har kunnet omsætte teori til praksis. Dette har uden tvivl vigtige potentielle teknologiske anvendelser, som vil blive realiseret over tid med yderligere forskning.

Eksperimentets resultater, ifølge forskningen, viser en ny vej for kontrol af magnetisme. Dette kunne anvendes til ekstremt hurtige magnetiske kontakter, for eksempel gennem koherent kontrol af gittervibrationer ved brug af lys.

Desuden, selvom denne undersøgelse startede med strontiumtitanat, kan andre mere komplekse materialer udforskes i fremtiden, som måske kan opretholde deres magnetisme i længere perioder. Fra dette punkt er vejen kun fremad med flere spændende opdagelser, der vil åbne døren til anvendelse i computerenheder.

Som studiets forfatter Alexander Balatsky, professor i fysik ved NORDITA, udtalte:

“Dette kan bruges til hurtigere informationsoverførsel og betydeligt bedre datalagring, samt til computere, der er væsentligt hurtigere og mere energieffektive.”

Således, selvom resultaterne er lovende og kan føre til store forbedringer i elektronik og databehandling, der er baseret på magnetisering, er yderligere arbejde nødvendigt.

Klik her for at lære om den aktuelle tilstand af kvantecomputing.