Η χρήση λέιζερ για τη μαγνητοποίηση μη-μαγνητικών ουσιών μπορεί να μεταμορφώσει τους σύγχρονους υπολογιστές

Η κβαντική υπολογιστική διαθέτει τεράστιο δυναμικό. Θα μπορούσε να μεταμορφώσει πλήρως τις βιομηχανίες και να αλλάξει τον τρόπο που κατανοούμε το σύμπαν. Συνδυάζοντας τις αρχές της κβαντικής μηχανικής με την επιστήμη των υπολογιστών, η κβαντική υπολογιστική επιτρέπει την εύκολη επίλυση σύνθετων προβλημάτων, επεξεργαζόμενη τεράστιες ποσότητες δεδομένων παράλληλα και εξερευνώντας πολλαπλές λύσεις. 

Με αυτόν τον τρόπο, οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να βοηθήσουν στην ανακάλυψη φαρμάκων, στην προσομοίωση του κλίματος, στην ενίσχυση των δυνατοτήτων της τεχνητής νοημοσύνης και στην επίλυση προβλημάτων βελτιστοποίησης. Έχουν επίσης δυναμική στην κυβερνοασφάλεια, σπάζοντας υπάρχουσες μεθόδους κρυπτογράφησης και δημιουργώντας αδιάσπαστα κβαντικά συστήματα κρυπτογράφησης.

Με τα χρόνια, έχουμε σημειώσει σημαντική πρόοδο στην κβαντική υπολογιστική, συμπεριλαμβανομένης της κβαντικής υπεροχής, των κωδίκων διόρθωσης σφαλμάτων και των κβαντικών υπολογιστών βασισμένων στο νέφος. Ωστόσο, αυτή η πρόοδος ήταν κυρίως περιορισμένη στις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες των εργαστηρίων, κάτι που ενδέχεται να αλλάξει. 

Τώρα, ερευνητές του Βορειοσκανδιναβικού Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής (NORDITA), μιας συνεργασίας μεταξύ των πέντε βορειοσκανδιναβικών χωρών, του Πανεπιστημίου Στοκχόλμης και του Πανεπιστημίου Ca’ Foscari της Βενετίας, έχουν επιτυχώς αποδείξει κβαντική συμπεριφορά σε θερμοκρασία δωματίου χρησιμοποιώντας φως λέιζερ. Για πρώτη φορά, το φως λέιζερ μπόρεσε να κάνει μη-μαγνητικά υλικά μαγνητικά.

Αυτό είναι εξαιρετικά σημαντικό, επειδή ο μαγνητισμός παίζει κεντρικό ρόλο στη λειτουργία ενός υπολογιστή. Η μνήμη του υπολογιστή χρησιμοποιεί μικροσκοπικούς ηλεκτρομαγνήτες που μαγνητίζονται με τάση για να ενεργοποιούν τις δυαδικές καταστάσεις «ενεργό» ή «ανενεργό». Ο τρόπος με τον οποίο τα άτομα και τα ηλεκτρόνια αντιδρούν σε μαγνητικά πεδία επιτρέπει στις ηλεκτρονικές συσκευές να διαβάζουν, να γράφουν και να χειρίζονται δεδομένα.

Σε αυτή τη νέα μελέτη, οι ερευνητές έδειξαν πόσο η έκθεση ενός μη-μαγνητικού υλικού σε υψηλής συχνότητας ακτινοβολία λέιζερ μπορεί να παράγει μαγνητικό αποτέλεσμα σε θερμοκρασία δωματίου.

Η νέα αυτή ανακάλυψη έχει τη δυνατότητα να ανοίξει το δρόμο για πιο ενεργειακά αποδοτικούς και γρήγορους υπολογιστές, τη μεταφορά πληροφοριών και την αποθήκευση δεδομένων. Δείχνει απίστευτη προοπτική στην επανάσταση της ηλεκτρονικής, ιδιαίτερα των μηχανών που κατασκευάζονται με κβαντική τεχνολογία, οι οποίες τείνουν να λειτουργούν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273 βαθμοί Κελσίου).

Μετατροπή Μη-Μαγνητικών Υλικών σε Μαγνητικά

Στην πιο πρόσφατη μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το τιτανικό στροντιούμιο (SrTiO₃), ένα οξείδιο του εξαιρετικά χημικά ενεργού στροντιού (Sr) και του ελαφρού τιτανίου (Ti). Σε θερμοκρασία κατάλληλη για τον άνθρωπο, έχει δομή περοβσκίτη και είναι γνωστό για τη υψηλή του διηλεκτρική σταθερά.

Αυτό το υλικό εκτέθηκε σε φως από ένα υψηλής συχνότητας λέιζερ, το οποίο ανακίνησε τα άτομα και τα κινητοποίησε. Αυτό παρήγαγε ηλεκτρικά ρεύματα μέσα στο τιτανικό στροντιούμιο, καθιστώντας το μαγνητικό.

Σχετικά με τη νεωτεριστική φύση της μεθόδου τους, ο κύριος συγγραφέας της μελέτης, Στέφανο Μπονέτι, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Στοκχόλμης, και το Ca’ Foscari, δήλωσαν ότι ήταν:

«Στην ιδέα του να επιτρέπουμε στο φως να κινεί τα άτομα και τα ηλεκτρόνια σε αυτό το υλικό σε κυκλική κίνηση, ώστε να δημιουργεί ρεύματα που το κάνουν τόσο μαγνητικό όσο ένας μαγνήτης ψυγείου.»

Η μετατροπή μη-μαγνητικού υλικού σε μαγνητικό δεν είναι κάτι καινούργιο, ωστόσο. Έχει προβλεφθεί και μελετηθεί προηγουμένως. 

Το 2015, το Nature δημοσίευσε έρευνα που ανακάλυψε ότι ο χαλκός και το μαγγάνιο, δύο κοινά μη-μαγνητικά μέταλλα, μπορούν να μετατραπούν σε μαγνήτες συνδυάζοντας λεπτές στρώσεις των μετάλλων με οργανικές μόρια βάσει άνθρακα. Παρόλο που τα αποτελέσματα επιτεύχθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου, ο μαγνητισμός ήταν αδύναμος και εξαφανίστηκε μετά από λίγες ημέρες.

Αυτό το πείραμα βασίστηκε σε μια θεωρία της δεκαετίας του 1930 του θεωρητικού φυσικού Edmund Stoner από το Πανεπιστήμιο του Λίντ, ο οποίος ερεύνησε τι καθιστά δυνατό για ένα στοιχείο να είναι μαγνητικό.

Το 2020, μια ερευνητική ομάδα μπόρεσε επίσης να τροποποιήσει μη-μαγνητικά οξείδια και να τα κάνει μαγνητικά μέσω ελεγχόμενης ανάπτυξης στρώση-προς-στρώση κάθε υλικού. Το ίδιο έτος, μια άλλη ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε ηλεκτρισμό για να ενεργοποιήσει τον μαγνητισμό στο μη-μαγνητικό πυρίτης ή θειικό σίδηρο. Η τεχνική που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη ήταν η ηλεκτρολύτη πύλη, η οποία περιελάμβανε την επαφή του πυρίτη με έναν ηλεκτρολύτη (ιονικό υγρό) και στη συνέχεια την εφαρμογή ενός βολτ ηλεκτρικής τάσης που μετακίνησε θετικά φορτισμένα μόρια και δημιούργησε μετρήσιμο μαγνητικό πεδίο. Σε αυτή την περίπτωση, η απενεργοποίηση της τάσης έσβηνε επίσης και τον μαγνητισμό.

Η χρήση φωτός για την αλλαγή των ιδιοτήτων ενός υλικού έχει επίσης κερδίσει σημαντική επιστημονική προσοχή εδώ και κάποιο διάστημα. 

Το θέμα είναι ότι οι μαγνήτες και το μαγνητικό πεδίο συνήθως δημιουργούνται από κυκλοφορούντα ρεύματα. Το 2019, φυσικοί φωτίσαν μη-μαγνητικούς μεταλλικούς δίσκους με γραμμικά πολωμένο φως, δημιουργώντας κυκλοφορούντα ηλεκτρικά ρεύματα και επιτρέποντας στον μαγνητισμό να εμφανιστεί αυτόματα στον δίσκο. Κατ’ αρχήν, αυτή η μέθοδος μπορεί να μετατρέψει μη-σιδερούχα μέταλλα σε μαγνήτες «κατόπιν ζήτησης» χρησιμοποιώντας φως λέιζερ.

Χρήση Φωτός για Περιστροφή Ατόμων & Δημιουργία Ρεύματος

Η μαγνητοποίηση που προκαλείται από περιστροφή σε μακροσκοπική κλίμακα είναι γνωστή ως το φαινόμενο Barnett. Κατά το φαινόμενο αυτό, ένα υλικό περιστρέφεται πλήρως ώστε να ευθυγραμμιστούν οι έμφυτες γωνιακές περιστροφές των ηλεκτρονίων ενός αταξικού μαγνητικού υλικού, δημιουργώντας ένα συνολικό μαγνητικό πεδίο μέσα του.

Στο νέο πείραμα, η περιστροφή σε ατομική κλίμακα πραγματοποιήθηκε σε μη-μαγνητικά υλικά με τη χρήση κυκλικά πολωμένων παλμών λέιζερ. Οι παλμοί περιστρέφουν τα άτομα στο υλικό, παράγοντας συλλογικούς χιρικούς φωνόνες, που είναι κυκλικά πολωμένες δονήσεις σε συντονισμό με τη συχνότητα του λέιζερ.

Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε μια νέα πηγή φωτός στην υπερβολική υπέρυθρη περιοχή (FIR), η οποία είναι κυκλικά πολωμένη, δηλαδή έχει σχήμα «προσαρμογέα». Όταν το φως λέιζερ με αυτό το είδος πολώσεως εισέρχεται σε ένα υλικό, η κυκλική πόλωση μεταφέρεται στα άτομα του, τα περιστρέφοντας και παράγοντας ατομικά ρεύματα. Εάν η συχνότητα του φωτός ταιριάζει με αυτή της δόνησης του ατόμου, το φαινόμενο ενισχύεται και, ως αποτέλεσμα, παράγεται σημαντικός μαγνητισμός.

Έτσι, το πείραμα που διεξήχθη από την διεθνή ομάδα υπό την ηγεσία του Μπονέτι υπέβαλε το κβαντικό υλικό τιτανικό στροντιούμιο (SrTiO3) σε έντονες αλλά σύντομες δέσμες λέιζερ με ιδιαίτερο μήκος κύματος και πόλωση για την πρόκληση μαγνητισμού. Οι παλμοί 800 nm, διάρκειας πικοδευτοδευτερολέπτου, εκτοξεύτηκαν από ένα λέιζερ υπερβολικής υπέρυθρης 100 µm.

Συγκεκριμένα, μετρήθηκε η περιστροφή Kerr των παλμών ανίχνευσης. Η ομάδα χρησιμοποίησε επίσης διάφορες θερμοκρασίες, από 160 έως 360 Kelvin. Αυτό έδειξε ότι η υψηλότερη απόκριση επιτεύχθηκε στα 280 K (7 °C). Σε αυτό το σημείο, το πεδίο ηλεκτρισμού των παλμών στο τεραχέζ περιοχής ήταν σε συντονισμό με την πρώτη οπτική φωνονική λειτουργία του υλικού.

Στο αυτή τη νεότερη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature, ο κύριος συγγραφέας Μπονέτι σημείωσε ότι ήταν η πρώτη φορά που κατάφεραν να προκαλέσουν και να δουν καθαρά πώς το υλικό γίνεται μαγνητικό σε θερμοκρασία δωματίου.

Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε επίσης στην ομάδα «να δημιουργήσει μαγνητικά υλικά από πολλούς μονωτές, ενώ οι μαγνήτες συνήθως κατασκευάζονται από μέταλλα», πρόσθεσε.

Εν τω μεταξύ, το επίπεδο του μαγνητισμού που προκλήθηκε μέσω της τεχνικής λέιζερ μετρήθηκε χρησιμοποιώντας ένα καθιερωμένο φαινόμενο όπου το φως αντανακλάται από ένα υλικό διαφορετικά ανάλογα με τον μαγνητισμό του.

Στο πείραμά τους, οι μετρήσεις έδειξαν ότι το υλικό είχε γίνει μαγνητικό. Ωστόσο, το μέγεθος του προκληθέντος μαγνητισμού, βάσει γνωστών θεωρητικών μεθόδων υπολογισμού, ήταν περίπου τέσσερις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το αναμενόμενο. Αυτή η διαφορά αποδόθηκε σε υπεραπλοποιήσεις που έκαναν οι φυσικοί στους υπολογισμούς τους. 

Μια άλλη ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε κυκλικά πολωμένες υπέρυθρες παλμούς λέιζερ για να προκαλέσει προσωρινά ένα μαγνητικό αποτέλεσμα σε μη-μαγνητικό υλικό. 

Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Radboud, Ολλανδία, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Nihon, Ιαπωνία, το έκαναν αυτό, αλλά αντί για συμβατικούς ευρυζώνιους παλμούς, χρησιμοποίησαν πολύ στενής ζώνης παλμούς από τα ελεύθερα ηλεκτρονικά λέιζερ FELIX, που τους επέτρεψαν να στοχεύσουν καλύτερα συγκεκριμένες δονήσεις του πλέγματος σε συντονισμό. Επιπλέον, χρησιμοποίησαν τον δημιουργημένο μαγνητισμό για να αλλάξουν τον μαγνητισμό μιας μαγνητικής κράματος.

Σύμφωνα με αυτούς τους ερευνητές, η φωνονική σύζευξη θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως ένας νέος και γρήγορος τρόπος εγγραφής δεδομένων σε μαγνητικά μέσα. Η αλλαγή της κατεύθυνσης περιστροφής του κυκλικά πολωμένου φωτός επέτρεψε επίσης στην ομάδα να αλλάξει την κατεύθυνση του μαγνητισμού.

Η Αυξανόμενη Χρήση του Φωτός Λέιζερ

Η χρήση του φωτός λέιζερ αυξάνεται ραγδαία. Μόλις αυτήν την εβδομάδα, επιστήμονες έκαναν μια νέα ανακάλυψη: Ένα συγκεντρωμένο δέσμη λέιζερ μπορεί να αλλάξει την μαγνητική κατάσταση ενός στερεού υλικού, δείχνοντας τεράστιο δυναμικό στη μνήμη υπολογιστών υπερ-γρήγορης ταχύτητας.

Για το σκοπό αυτό, οι επιστήμονες ετοίμασαν μια νέα «στοιχειώδη» εξίσωση που περιγράφει τη σχέση μεταξύ της συχνότητας και του πλάτους του μαγνητικού πεδίου του φωτός και των ιδιοτήτων απορρόφησης ενέργειας ενός μαγνητικού υλικού. Σύμφωνα με τον Amir Capua, καθηγητή φυσικής στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ:

«Μας επιτρέπει να επανεξετάσουμε εντελώς την οπτική μαγνητική καταγραφή και να προχωρήσουμε προς μια πυκνή, ενεργειακά αποδοτική, οικονομικά αποδοτική οπτική μαγνητική συσκευή αποθήκευσης που ακόμη δεν υπάρχει.»

Αυτή η τεχνολογία αναμένεται να οδηγήσει σε πιο γρήγορα και πιο αποδοτικά εξαρτήματα MRAM στο μέλλον. 

Το παγκόσμιο μέγεθος της αγοράς τεχνολογίας λέιζερ είναι στην πραγματικότητα προβλεπόμενο να αυξηθεί σε 29,5 δισεκατομμύρια δολάρια πριν λήξει η δεκαετία, από την τρέχουσα αποτίμηση των 20 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Αυτοί οι αριθμοί οφείλονται στο ευρύ δυναμικό του λέιζερ σε διάφορες βιομηχανίες.

Το λέιζερ είναι μια οπτική συσκευή που παράγει μια δέσμη φωτός διεγείροντας την εκπομπή ακτινοβολίας. Λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων αυτού του φωτός, όπως η υψηλή ένταση, η συνοχή, η μονοχρωματικότητα και η κατευθυντικότητα, τα λέιζερ χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική, τις επικοινωνίες, την επιστήμη, το στρατιωτικό τομέα και άλλα. Ως αποτέλεσμα, πολλές εφευρέσεις και πειράματα έχουν πραγματοποιηθεί στον χώρο των λέιζερ.

Πρόσφατα, επιστήμονες στη Ρουμανία δημιούργησαν την πιο ισχυρή εκπομπή λέιζερ στον κόσμο, η οποία είναι το ένα δέκατο της ισχύος που εκπέμπει ο ήλιος και λαμβάνεται στη Γη. Εγκατεστημένο σε ένα κέντρο κοντά στο Βουκουρέστι, λειτουργούμενο από τη γαλλική εταιρεία Thales, το λέιζερ αναφέρεται ότι έχει ισχύ 10 πεταβάτ (10 τετράκις 10^15 βατ). Η κορυφή επιτεύχθηκε μόνο για εξαιρετικά σύντομη περίοδο, περίπου 25 φεμτοδευτερόλεπτα, και σε πλάτος μόλις τριών μικρομέτρων.

Οι επιστήμονες ελπίζουν ότι το λέιζερ θα οδηγήσει σε επαναστατικές προόδους σε τομείς από την υγεία έως το διάστημα. Αυτή η εφεύρεση μπορεί να εφαρμοστεί για τη διαχείριση πυρηνικών αποβλήτων και τον καθαρισμό διαστημικών απορριμμάτων.

Σε άλλη πρόσφατη έρευνα, φυσικοί του RIKEN πραγματοποίησαν πολύ σύντομες παλμούς φωτός λέιζερ με κορυφαία ισχύ 6 τρισεκατομμυρίων βατ. Αυτό ισοδυναμεί με την ισχύ που παράγουν 6.000 πυρηνικά εργοστάσια. Η επίτευξη αυτή στοχεύει στην ανάπτυξη αττοδευτερολέπτων λέιζερ που μπορούν να επιτρέψουν τη μελέτη των ηλεκτρονίων. 

Τον περασμένο χρόνο, η Anne L’Huillier, ο Pierre Agostini και ο Ferenc Krausz έλαβαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την έρευνά τους σε παλμούς φωτός αττοδευτερολέπτων (ένα κβαντιστικό του δευτερολέπτου).

Αυτοί οι υπερ-σύντομοι παλμοί λέιζερ μπορούν να φωτίσουν εξαιρετικά γρήγορες διαδικασίες, παρέχοντας στους επιστήμονες ένα ισχυρό μέσο για να τις καταγράψουν και να τις διερευνήσουν. 

«Καθιστώντας δυνατό τον εντοπισμό της κίνησης των ηλεκτρονίων, τα αττοδευτερολέπτα λέιζερ έχουν προσφέρει σημαντική συμβολή στην βασική επιστήμη.»

– Eiji Takahashi του Κέντρου Προηγμένων Φωτονικών του RIKEN

Αναμένεται να χρησιμοποιηθούν για τη διάγνωση ιατρικών καταστάσεων, την παρατήρηση βιολογικών κυττάρων και την ανάπτυξη νέων υλικών.
Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς τα λέιζερ θα παίξουν καθοριστικό ρόλο στις επόμενες δεκαετίες.

Μελλοντικές Προοπτικές του Λέιζερ-Επαγωγικού Μαγνητισμού

Χρηματοδοτημένη από το ERC Synergy Grant και το Ίδρυμα Knut και Alice Wallenberg, η μελέτη που μετέτρεψε μη-μαγνητικά υλικά σε μαγνητικά σε θερμοκρασία δωματίου σημείωσε ότι στη φυσική, η συλλογική τάξη της ύλης είναι ένα από τα πιο βασικά και συναρπαστικά φαινόμενα και ότι η δυναμική πολυφαινομενικότητα έχει εισαχθεί για να περιγράψει την εμφάνιση του μαγνητισμού.

«Σε απλούς όρους, η συνεκτική περιστροφική κίνηση των ιόντων σε ένα κρύσταλλο προκαλεί ένα μαγνητικό στιγμιότυπο κατά μήκος του άξονα της περιστροφής», δήλωσε.

Λόγω αυτού του μηχανισμού, η ομάδα μπόρεσε να αποδείξει μαγνητισμό στο αρχέτυπο παραηλεκτρικό περοβσκίτη SrTiO3. Τα αποτελέσματα έχουν ήδη αναπαραχθεί σε αρκετά άλλα εργαστήρια.

Ωστόσο, ο μαγνητισμός του υλικού διατηρήθηκε μόνο για περίπου ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου. Δεν ήταν αρκετός χρόνος για να βρει εφαρμογή στη μνήμη υπολογιστών.

Αυτό λέγοντας, πρόκειται για ένα εξαιρετικό σημείο εκκίνησης όπου οι επιστήμονες κατάφεραν τελικά να φέρουν τη θεωρία στην πράξη. Αυτό σίγουρα έχει σημαντικές τεχνολογικές εφαρμογές που θα υλοποιηθούν με την πάροδο του χρόνου, με περισσότερη έρευνα.

Τα ευρήματα του πειράματος, σύμφωνα με την έρευνα, δείχνουν ένα νέο μονοπάτι για τον έλεγχο του μαγνητισμού. Αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για εξαιρετικά γρήγορα μαγνητικά διακόπτες, για παράδειγμα, μέσω της συνεκτικής ελέγχου των δονήσεων του πλέγματος με φως.

Επιπλέον, ενώ αυτή η μελέτη ξεκίνησε με τιτανικό στροντιούμιο, στο μέλλον μπορούν να εξερευνηθούν πιο σύνθετα υλικά που ίσως διατηρήσουν τον μαγνητισμό τους για μεγαλύτερες χρονικές περιόδους. Από εδώ, το μόνο είναι να προχωρήσουμε με περισσότερες συναρπαστικές ανακαλύψεις που θα ανοίξουν το δρόμο για χρήση σε υπολογιστικές συσκευές.

Όπως δήλωσε ο συγγραφέας της μελέτης, Alexander Balatsky, καθηγητής φυσικής στο NORDITA:

«Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ταχύτερη μεταφορά πληροφοριών και σημαντικά καλύτερη αποθήκευση δεδομένων, καθώς και για υπολογιστές που είναι πολύ πιο γρήγοροι και ενεργειακά αποδοτικοί.»

Έτσι, ενώ τα αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά και μπορούν να οδηγήσουν σε μεγάλες βελτιώσεις στην ηλεκτρονική και την υπολογιστική που βασίζονται στον μαγνητισμό, απαιτείται περαιτέρω εργασία.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε την τρέχουσα κατάσταση της κβαντικής υπολογιστικής.