Informática.
El uso de láseres para magnetizar sustancias no magnéticas puede transformar las computadoras modernas
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La computación cuántica posee un enorme potencial. Podría transformar completamente las industrias y cambiar la forma en que entendemos el universo. Al combinar los principios de la mecánica cuántica con la informática, la computación cuántica permite resolver problemas complejos con facilidad procesando enormes cantidades de datos en paralelo a la exploración de múltiples soluciones.
De esta manera, las computadoras cuánticas pueden ayudar en el descubrimiento de fármacos, el modelado climático, la mejora de las capacidades de la IA y la resolución de problemas de optimización. También tienen potencial en ciberseguridad al romper los métodos de cifrado existentes y crear sistemas de cifrado cuánticos irrompibles.
A lo largo de los años, hemos logrado avances significativos en la computación cuántica, incluida la supremacía cuántica, los códigos de corrección de errores y las computadoras cuánticas basadas en la nube. Sin embargo, este progreso se ha limitado en gran medida a las temperaturas extremadamente frías de los laboratorios, que pueden estar a punto de cambiar.
Ahora, investigadores del Instituto Nórdico de Física Teórica (NORDITA), una colaboración entre los cinco países nórdicos, la Universidad de Estocolmo y la Universidad Ca' Foscari de Venecia, han demostrado con éxito el comportamiento cuántico a temperatura ambiente mediante la utilización de luz láser. Por primera vez, la luz láser logró hacer magnéticos los materiales no magnéticos.
Es de suma importancia porque el magnetismo juega un papel clave en el funcionamiento de una computadora. La memoria de la computadora utiliza electroimanes de pequeña escala magnetizados con voltaje para permitir los estados binarios de "encendido" o "apagado". La forma en que los átomos y los electrones reaccionan a los campos magnéticos permite que los dispositivos electrónicos lean, escriban y manipulen datos.
En este nuevo estudio, los investigadores demostraron cómo la exposición de un material no magnético a radiación láser de alta frecuencia puede producir un efecto magnético a temperatura ambiente.
El nuevo avance tiene el potencial de allanar el camino para computadoras, transferencia de información y almacenamiento de datos más rápidos y con mayor eficiencia energética. Es increíblemente prometedor para revolucionar la electrónica, en particular aquellas máquinas construidas con tecnología cuántica, que tienden a operar a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 grados Celsius).
Convertir materiales no magnéticos en magnéticos
En el último estudio, los investigadores utilizaron titanato de estroncio (SrTiO₃), un óxido de estroncio (Sr) altamente reactivo químicamente y titanio liviano (Ti). A la temperatura habitable para los humanos, tiene una estructura de perovskita y es conocido por su alta constante dieléctrica.
Este material fue expuesto a la luz de un láser de alta frecuencia, que agitó los átomos y los movilizó. Esto generó corrientes eléctricas dentro del titanato de estroncio, volviéndolo magnético.
Al hablar sobre la novedad de su método, el autor principal del estudio, Stefano Bonetti, físico de la Universidad de Estocolmo, y Ca' Foscari dijeron que era:
"En el concepto de dejar que la luz mueva los átomos y electrones de este material en un movimiento circular, para generar corrientes que lo hagan tan magnético como el imán de un refrigerador".
Sin embargo, convertir material no magnético en magnético no es nada nuevo. Ha sido predicho e investigado previamente.
En 2015, Naturaleza publicado investigación que descubrió que el cobre y el manganeso, dos metales no magnéticos comunes, se puede convertir en imanes combinando películas delgadas de metales con moléculas orgánicas a base de carbono. Si bien los resultados se obtuvieron a temperatura ambiente, el magnetismo fue débil y desapareció después de unos días.
Este experimento se basó en una teoría de la década de 1930 del físico teórico Edmund Stoner de la Universidad de Leed, quien investigó qué hace posible que un elemento sea magnético.
En 2020, un equipo de investigación también pudo modificar materiales de óxido no magnéticos y hacerlos magnéticos mediante el crecimiento controlado capa por capa de cada material. El mismo año, otro equipo de investigadores utilizó electricidad para activar el magnetismo en la pirita no magnética o sulfuro de hierro. El La técnica utilizada en este estudio fue la activación de electrolitos., que implicaba poner pirita en contacto con un electrolito (líquido iónico) y luego aplicar un voltio de electricidad que movía moléculas cargadas positivamente y creaba una fuerza magnética mensurable. En este caso, al cortar el voltaje también se apaga el magnetismo.
El uso de la luz para alterar las propiedades de un material también ha estado ganando considerable atención científica desde hace algún tiempo.
La cuestión es que los imanes y el campo magnético suelen generarse mediante corrientes circulantes. En 2019, los físicos iluminaron discos metálicos no magnéticos con luz polarizada linealmente, haciendo circular corrientes eléctricas y haciendo que el magnetismo surgiera espontáneamente en el disco. En principio, Este método puede convertir metales no ferrosos en imanes. “bajo demanda” utilizando luz láser.
Usando luz para rotar átomos y generar corriente
La magnetización causada por la rotación a escala macroscópica se conoce como efecto Barnett. Bajo este efecto, un material gira completamente para alinear las rotaciones angulares inherentes de los electrones del material magnético desordenado para generar un campo magnético neto en su interior.
En el nuevo experimento, la rotación a escala atómica se realizó en materiales no magnéticos basándose en pulsos láser polarizados circularmente. Los pulsos hicieron girar los átomos del material para producir fonones quirales colectivos, que son vibraciones polarizadas circularmente que resuenan con la frecuencia del láser.
Para ello, se desarrolló una nueva fuente de luz en el infrarrojo lejano (FIR), con polarización circular, es decir, con forma de espiral. Cuando la luz láser con este tipo de polarización penetra en un material, la polarización circular se transfiere a sus átomos rotándolos y generando corrientes atómicas. Si la frecuencia de la luz coincide con la vibración del átomo, el efecto se amplifica y, como resultado, se produce un magnetismo considerable.
Así, el experimento llevado a cabo por el grupo internacional liderado por Bonetti sometió el material cuántico titanato de estroncio (SrTiO3) a rayos láser intensos pero cortos de una longitud de onda y una polarización peculiares para inducir magnetismo. Los pulsos de 800 nm y picosegundos de duración se dispararon desde un láser de infrarrojo lejano de 100 µm.
En particular, se midió la rotación de Kerr de los pulsos de la sonda. El equipo también utilizó diversas temperaturas, de 160 a 360 Kelvin. Esto demostró que la respuesta más alta se alcanzó a 280 K (7 °C). En este punto, el campo eléctrico de terahercios de los pulsos resonaba con el primer modo fonónico óptico del material.
In este último estudio publicado en NatureEl autor principal, Bonetti, señaló que era la primera vez que podían inducir y ver claramente cómo el material se vuelve magnético a temperatura ambiente.
Este enfoque permitió además al equipo “fabricar materiales magnéticos a partir de muchos aislantes, cuando los imanes normalmente están hechos de metales”, añadió.
Mientras tanto, el grado de magnetización inducida mediante la técnica láser se midió utilizando un efecto establecido en el que la luz se refleja en un material de manera diferente dependiendo de su magnetismo.
En su experimento, las mediciones mostraron que el material se había vuelto magnético. Sin embargo, la magnitud de la magnetización inducida basada en métodos teóricos conocidos para calcular esta cantidad ha sido aproximadamente cuatro órdenes de magnitud mayor de lo esperado. Esta diferencia se atribuyó a simplificaciones excesivas realizadas por los físicos en sus cálculos.
Otro grupo de investigadores utilizó pulsos de láser infrarrojo polarizados circularmente para inducir temporalmente un efecto magnético en un material no magnético.
Científicos de la Universidad de Radboud, Países Bajos, en colaboración con la Universidad de Nihon, Japón, hicieron esto, pero en lugar de pulsos de banda ancha convencionales, utilizaron pulsos de banda muy estrecha de los láseres de electrones libres FELIX, lo que les permitió apuntar mejor a vibraciones particulares de la red en resonancia. Además, utilizaron la magnetización creada para cambiar la magnetización de una aleación magnética.
Según estos investigadores, la resonancia fonónica podría utilizarse como una forma nueva y rápida de escribir datos en medios magnéticos. Cambiar la dirección de rotación de la luz polarizada circularmente también permitió al equipo cambiar la dirección de magnetización.
El creciente uso de la luz láser
El uso de la luz láser está creciendo rápidamente. Sólo esta semana, Los científicos hicieron un nuevo descubrimiento.: Un rayo láser concentrado puede cambiar el estado magnético de un material sólido, lo que muestra un enorme potencial en la memoria informática ultrarrápida.
Para ello, los científicos prepararon una nueva ecuación "elemental" que describe la relación entre la frecuencia y amplitud del campo magnético de la luz y las propiedades de absorción de energía de un material magnético. Según Amir Capua, profesor de física de la Universidad Hebrea de Jerusalén:
“Nos permite reconsiderar por completo la grabación optomagnética y avanzar hacia un dispositivo de almacenamiento optomagnético denso, energéticamente eficiente y rentable que aún no existe”.
Se espera que esta tecnología conduzca a componentes MRAM más rápidos y eficientes en el futuro.
El tamaño del mercado mundial de tecnología láser es en realidad proyectado Crecerá a 29.5 millones de dólares antes de que termine la década, frente a los 20 millones de dólares actuales. Estas cifras se deben al amplio potencial del láser en diversas industrias.
Un láser es un dispositivo óptico que produce un haz de luz estimulando la emisión de radiación. Debido a las propiedades únicas de esta luz, como alta intensidad, coherencia, monocromaticidad y direccionalidad, los láseres se utilizan ampliamente en medicina, comunicaciones, ciencia, ejército y más. Como resultado, se han producido muchos inventos y experimentos en el espacio del láser.
Más recientemente, científicos en Rumania creado La emisión láser más potente del mundo, que representa una décima parte de la potencia que emana del Sol y que se recibe en la Tierra. Instalado en un centro cerca de Bucarest, operado por la empresa francesa Thales, se informa que el láser tiene una potencia de 10 petavatios (10 cuatrillones de vatios). El pico se alcanzó solo durante un período extremadamente corto, de unos 25 femtosegundos, y con una anchura de tan solo tres micrómetros.
Los científicos esperan que el láser conduzca a avances revolucionarios en sectores que van desde la salud hasta el espacio. Esta invención se puede aplicar para tratar desechos nucleares y limpiar desechos espaciales.
En otra investigación reciente, los físicos de RIKEN Realizó pulsos muy cortos de luz láser. que tenía una potencia máxima de 6 billones de vatios. Esto equivale a la energía producida por 6,000 centrales nucleares. Este logro tiene como objetivo ayudar a desarrollar láseres de attosegundos que puedan permitir el estudio de los electrones.
El año pasado, Anne L'Huillier, Pierre Agostini y Ferenc Krausz recibieron el Premio Nobel de Física por su investigación sobre pulsos de luz de attosegundos (un quintillón de segundo).
Estos pulsos láser ultracortos pueden ayudar a iluminar procesos extremadamente rápidos, proporcionando a los científicos una forma poderosa de capturarlos y sondearlos.
"Al permitir capturar el movimiento de los electrones, los láseres de attosegundos han hecho una importante contribución a la ciencia básica".
– Eiji Takahashi del Centro RIKEN de Fotónica Avanzada
Se espera que se utilicen para diagnosticar afecciones médicas, observar células biológicas y desarrollar nuevos materiales.
Potencial futuro del magnetismo inducido por láser
Financiado por ERC Synergy Gran y la Fundación Knut y Alice Wallenberg, el estudio que volvió magnéticos los materiales no magnéticos a temperatura ambiente señaló que en física, el orden colectivo de una materia es uno de los sucesos más básicos y fascinantes y que la multiferroicidad dinámica ha sido introducido para describir el surgimiento de la magnetización.
"En términos simples, el movimiento giratorio coherente de los iones en un cristal induce un momento magnético a lo largo del eje de rotación", afirma.
Gracias a este mismo mecanismo, el equipo pudo demostrar la magnetización en la perovskita paraeléctrica arquetípica SrTiO3. Estos resultados ya se han reproducido en varios otros laboratorios.
Sin embargo, el magnetismo del material solo se mantuvo durante aproximadamente una billonésima de segundo. No ha sido suficiente para encontrar su aplicación en la memoria de computadoras.
Dicho esto, este es un gran punto de partida donde los científicos finalmente han podido llevar la teoría a la práctica. Sin duda, esto tiene importantes aplicaciones tecnológicas potenciales que se realizarán con el tiempo y con más investigación.
Los resultados del experimento, según la investigación, muestran un nuevo camino para el control del magnetismo. Esto podría utilizarse para interruptores magnéticos extremadamente rápidos, por ejemplo mediante el control coherente de las vibraciones de la red mediante luz.
Además, si bien este estudio comenzó con titanato de estroncio, en el futuro se pueden explorar otros materiales más complejos que puedan mantener su magnetismo durante períodos de tiempo más largos. A partir de aquí, el único camino es avanzar con más descubrimientos interesantes que abrirán la puerta al uso en dispositivos informáticos.
Como afirmó el autor del estudio Alexander Balatsky, profesor de física en NORDITA:
"Esto se puede utilizar para una transferencia de información más rápida y un almacenamiento de datos considerablemente mejor, y para computadoras que sean significativamente más rápidas y más eficientes energéticamente".
Entonces, si bien los resultados son prometedores y pueden conducir a grandes mejoras en la electrónica y la informática basadas en la magnetización, es necesario seguir trabajando.
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