Laserien käyttäminen ei-magneettisten aineiden magnetisoimiseen voi mullistaa nykyaikaiset tietokoneet

Kvanttilaskennalla on valtava potentiaali. Se voisi täysin mullistaa teollisuuden ja muuttaa tapaa, jolla ymmärrämme universumia. Yhdistämällä kvanttimekaniikan periaatteet tietojenkäsittelytieteeseen, kvanttilaskenta mahdollistaa monimutkaisten ongelmien helpon ratkaisemisen käsittelemällä valtavia määriä dataa rinnakkain ja tutkien useita ratkaisuja. 

Tällä tavoin kvanttitietokoneet voivat auttaa lääkekehityksessä, ilmastomallinnuksessa, tekoälyn kykyjen parantamisessa ja optimointiongelmien ratkaisemisessa. Niillä on myös potentiaalia kyberturvallisuudessa murtamalla olemassa olevia salausmenetelmiä ja luomalla murtamattomia kvanttisalausjärjestelmiä.

Vuosien aikana olemme tehneet merkittävää edistystä kvanttilaskennassa, mukaan lukien kvanttiylivallan saavuttaminen, virheenkorjauskoodit ja pilvipohjaiset kvanttitietokoneet. Kuitenkin tämä edistys on ollut pitkälti rajoittunut laboratoriokokojen äärimmäisen kylmiin lämpötiloihin, mikä saattaa olla muuttumassa. 

Nyt NORDITA:n (Nordic Institute for Theoretical Physics) tutkijat, jotka ovat yhteistyössä viiden pohjoismaisen maan, Tukholman yliopiston ja Venetsian Ca’ Foscari -yliopiston kanssa, ovat onnistuneesti osoittaneet kvanttikäyttäytymistä huoneenlämmössä hyödyntämällä laservaloa. Ensimmäistä kertaa laservaloa pystyi tekemään ei-magneettiset materiaalit magneettisiksi.

Tämä on äärimmäisen tärkeää, koska magnetismilla on keskeinen rooli tietokoneen toiminnassa. Tietokoneen muisti käyttää pieniä sähkömagneetteja, jotka magneettisoidaan jännitteellä, mahdollistaen binäärisen tilan ‘päällä’ tai ‘pois’. Se, miten atomit ja elektronit reagoivat magneettikenttiin, mahdollistaa elektronisten laitteiden lukea, kirjoittaa ja käsitellä dataa.

Tässä uudessa tutkimuksessa tutkijat osoittivat, kuinka ei-magneettisen materiaalin altistaminen korkeataajuiselle laser-säteilylle voi tuottaa magneettisen vaikutuksen huoneenlämmössä.

Uusi läpimurto voi avata tietä energiatehokkaammille ja nopeammille tietokoneille, tiedonsiirrolle ja tiedon tallennukselle. Se osoittaa uskomatonta potentiaalia mullistaa elektroniikkaa, erityisesti ne koneet, jotka on rakennettu kvanttiteknologiaa käyttäen, ja jotka yleensä toimivat lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollapistettä (-273 celsiusastetta).

Ei-magneettisten materiaalien muuttaminen magneettisiksi

Viimeisimmässä tutkimuksessa tutkijat käyttivät strontiittitaaniinia (SrTiO₃), joka on hapettuma erittäin kemiallisesti reaktiivisesta strontiumista (Sr) ja kevyestä titaanista (Ti). Ihmisen asuttavassa lämpötilassa sillä on perovskiittirakenne ja se on tunnettu korkeasta dielektrisestä kertoimestaan.

Tämä materiaali altistettiin korkeataajuisen laserin valolle, joka sekoitti atomit ja mobilisoi ne. Tämä synnytti sähkövirtoja strontiittitaaniin sisällä, tehden siitä magneettisen.

Keskustellessaan menetelmänsä uutuudesta tutkimuksen pääkirjoittaja Stefano Bonetti, fysiikan tutkija Tukholman yliopistosta ja Ca’ Foscari, sanoi sen olevan:

“Käsitteessä, jossa valoa annetaan liikuttaa tämän materiaalin atomit ja elektronit ympyräliikkeessä, jotta syntyy virtoja, jotka tekevät siitä yhtä magneettisen kuin jääkaappimagneetti.”

Ei-magneettisen materiaalin muuttaminen magneettiseksi ei olekaan uutta. Sitä on aiemmin ennustettu ja tutkittu. 

Vuonna 2015 Nature julkaisi tutkimuksen, jossa havaittiin, että kupari ja mangaani, kaksi yleistä ei-magneettista metallia, voidaan muuttaa magneeteiksi yhdistämällä metallien ohuita kalvoja hiilipohjaisten orgaanisten molekyylien kanssa. Vaikka tulokset saatiin huoneenlämmössä, magnetismi oli heikko ja hävisi muutaman päivän kuluttua.

Tämä kokeilu perustui 1930-luvun teoriaan, jonka esitti teoreettinen fyysikko Edmund Stoner Leedun yliopistosta, ja joka tutki, mikä tekee alkuaineesta mahdollisesti magneettisen.

Vuonna 2020 tutkimusryhmä pystyi myös muokkaamaan ei-magneettisia oksidimateriaaleja ja tekemään niistä magneettisia hallitun kerros kerrokselta kasvun avulla. Samana vuonna toinen tutkijaryhmä käytti sähköä kytkeäksensä magneettisuuden päälle ei-magneettisessa pyriitissä tai rautasulfidissa. tekniikka, jota tässä tutkimuksessa käytettiin, oli electrolyte gating, jossa pyriitti oli kosketuksissa elektrolyyttiin (ioninen neste) ja sovellettiin yksi voltti sähköä, joka siirsi positiivisesti varautuneita molekyylejä ja loi mitattavan magneettisen voiman. Tässä tapauksessa jännitteen katkaiseminen sammutti myös magneettisuuden.

Valon käyttäminen materiaalin ominaisuuksien muuttamiseen on myös saanut merkittävää tieteellistä huomiota jo jonkin aikaa.

Asioista, magneetit ja magneettikenttä syntyvät yleensä kiertävien virtojen avulla. Vuonna 2019 fyysikot valaisivat ei-magneettisia metallilevyjä lineaarisesti polarisoidulla valolla, mikä aiheutti kiertäviä sähkövirtoja ja magneettisuuden syntymisen spontaanisti levyllä. Periaatteessa, tämä menetelmä voi muuttaa ei-rautametallit magneeteiksi “tarpeen mukaan” laservalon avulla.

Valon käyttäminen atomien kiertämiseen ja virran tuottamiseen

Magnetisaatio, joka aiheutuu makroskooppisesta kiertoliikkeestä, tunnetaan Barnett-ilmiönä. Tässä ilmiössä materiaalia kierretään kokonaan, jotta sen epäjärjestäytyneiden magneettisten materiaalien elektronien sisäiset kulmanliikkeet kohdistuvat ja tuottavat nettomagneettikentän sen sisällä.

Uudessa kokeessa atomitasoinen kierto toteutettiin ei-magneettisissa materiaaleissa hyödyntämällä ympyräpolarisoituja laserpulssia. Pulssit kierrättivät materiaalin atomit tuottaen kollektiivisia kierreisiä fononeja, jotka ovat ympyräpolarisoituja värähtelyjä, resonanssissa laserin taajuuden kanssa.

Tätä varten kehitettiin uusi valonlähde kaukoinfrapunasäteilyn (FIR) alueella, joka on ympyräpolarisoitu, eli sillä on ‘ruuvin’ muoto. Kun tällainen laservalo, jolla on kyseinen polarisaatio, pääsee materiaaliin, ympyräpolarisaatio siirtyy sen atomeihin kiertämällä ne ja tuottaen atomisia virtoja. Jos valon taajuus vastaa atomin värähtelyn taajuutta, vaikutus vahvistuu ja tuloksena syntyy melko suuri magnetismi.

Joten kokeessa, jonka kansainvälinen ryhmä Bonettin johdolla toteutti, kvanttimateriaali strontiittitaaniini (SrTiO3) altistettiin intensiivisille mutta lyhyille laserpulssille, joilla oli erikoinen aallonpituus ja polarisaatio, magnetismin aikaansaamiseksi. 800 nm:n, pikosekuntien pituiset pulssit lähetettiin 100 µm:n kaukoinfrapunasäteilyn laserista.

Erityisesti mitattiin probe-pulssien Kerrin kierto. Tiimi käytti myös erilaisia lämpötiloja, 160–360 kelviniä. Tämä osoitti, että suurin vaste saavutettiin 280 K (7 °C) lämpötilassa. Tässä pisteessä pulssien terahertsinen sähköinen kenttä resonoi materiaalin ensimmäisen optisen fononimoodin kanssa.

Tässä viimeisin Nature-lehdessä julkaistu tutkimus, pääkirjoittaja Bonetti totesi, että tämä oli ensimmäinen kerta, kun he pystyivät selvästi indusoimaan ja nähdä, miten materiaali todella muuttuu magneettiseksi huoneenlämmössä.

Tämä lähestymistapa mahdollisti tiimille myös “tehdä magneettisia materiaaleja monista eristeistä, kun magneetteja valmistetaan tyypillisesti metalleista,” hän lisäsi.

Sillä välin laseritekniikalla indusoitu magnetisaation aste mitattiin käyttäen vakiintunutta ilmiötä, jossa valo heijastuu materiaalista eri tavalla sen magnetismin mukaan.

Heidän kokeessaan mittaukset osoittivat, että materiaali oli muuttunut magneettiseksi. Kuitenkin indusoidun magnetisaation suuruus, joka perustuu tunnettuihin teoreettisiin menetelmiin tämän määrän laskemiseksi, oli noin neljä potenssia suurempi kuin odotettiin. Tämä ero johtui fyysikkojen tekemistä ylivertaistuksista laskelmissa.

Toinen tutkijaryhmä käytti ympyräpolarisoituja infrapunalaseripulsseja indusoidakseen väliaikaisesti magneettisen vaikutuksen ei-magneettiseen materiaaliin.

Tutkijat Radboudin yliopistosta, Alankomaat, yhteistyössä Nihon-universiteetin, Japanin kanssa, tekivät tämän, mutta perinteisten laajakaistapulssien sijaan he käyttivät erittäin kapeakaistaisia pulssia FELIX-vapaat-alkuinen laserista, mikä mahdollisti paremman kohdistamisen tiettyihin kiderakenteen värähtelyihin resonanssissa. He käyttivät luotua magnetisaatiota myös magneettisen seoksen magnetisaation vaihtamiseen.

Näiden tutkijoiden mukaan fononiresonanssia voitaisiin käyttää uutena ja nopeana tapana kirjoittaa dataa magneettisille medioille. Ympyräpolarisoidun valon kiertosuunnan muuttaminen mahdollisti myös tiimille magnetisaation suunnan muuttamisen.

Laservalon kasvava käyttö

Laservalon käyttö kasvaa nopeasti. Juuri tällä viikolla, tiedemiehet tekivät uuden löydön: Keskittynyt laser-säde voi muuttaa kiinteän materiaalin magneettisen tilan, mikä osoittaa valtavan potentiaalin ultra-nopeassa tietokoneiden muistissa.

Sen vuoksi tiedemiehet laativat uuden “alkioyhtälön”, joka kuvaa yhteyden valon magneettikentän taajuuden ja amplitudin sekä magneettisen materiaalin energian absorptiokyvyn välillä. Amir Capua:n, Jerusalemin heprealaisen yliopiston fysiikan professorin, mukaan:

“Se antaa meille mahdollisuuden täysin uudelleenarvioida optisen magneettisen tallennuksen ja suunnata kohti tiheää, energiatehokasta, kustannustehokasta optista magneettista tallennuslaitetta, jota ei vielä ole olemassa.”

Tämän teknologian odotetaan johtavan tulevaisuudessa nopeampiin ja tehokkaampiin MRAM-komponentteihin. 

Globaalin laser-teknologian markkinakoko on itse asiassa ennustettu kasvavan 29,5 miljardiin dollariin ennen vuosikymmenen loppua, nykyisestä 20 miljardin dollarin arvostuksesta. Nämä luvut johtuvat laserin laajasta potentiaalista eri teollisuudenaloilla.

Laser on optinen laite, joka tuottaa valonsäteen stimuloimalla säteilyn emittointia. Valon ainutlaatuisten ominaisuuksien, kuten korkean intensiteetin, koherenssin, monochromatisuuden ja suunnattavuuden, ansiosta laseria käytetään laajasti lääketieteessä, viestinnässä, tieteessä, sotilasaloilla ja muilla alueilla. Tämän seurauksena laserialalla on tapahtunut monia keksintöjä ja kokeita.

Viime aikoina tiedemiehet Romaniassa loivat maailman voimakkaimman laserin, jonka teho on kymmenesosa auringon säteilemästä voimasta, joka saapuu Maahan. Asennettu Bucharestin lähellä sijaitsevaan keskukseen, jonka operoi ranskalainen yritys Thales, laserin ilmoitetun tehon olevan 10 petawattia (10 kvadriljoonaa wattia). Huippu saavutettiin vain äärimmäisen lyhyen ajan, noin 25 femtosekuntia, ja leveyden vain kolme mikrometriä.

Tiedemiehet toivovat, että laser johtaa vallankumouksellisiin edistysaskeliin eri sektoreilla terveydenhuollosta avaruuteen. Tämä keksintö voidaan soveltaa ydinjätteen käsittelyyn ja avaruusromun puhdistamiseen.

Toisessa äskettäisessä tutkimuksessa RIKENin fyysikot saavuttivat erittäin lyhyet laservalopulssit, joiden huipputeho oli 6 biljoonaa wattia. Tämä on yhtä paljon kuin 6 000 ydinvoimalan tuottama energia. Tämä saavutus auttaa kehittämään attosekuntilaseereita, jotka mahdollistavat elektronien tutkimisen.

Viime vuonna Anne L’Huillier, Pierre Agostini ja Ferenc Krausz saivat Nobel‑palkinnon fysiikassa heidän tutkimuksestaan attosekuntipulssien (yksi kvintilliardia sekunnissa) valossa.

Nämä erittäin lyhyet laserpulssit voivat valaista äärimmäisen nopeita prosesseja, tarjoten tutkijoille voimakkaan tavan tallentaa ja tutkia niitä. 

“Mahdollistamalla elektronien liikkeen tallentamisen attosekuntilaserit ovat tehneet merkittävän panoksen perustieteisiin.”

– Eiji Takahashi, RIKEN Center for Advanced Photonics

Niiden odotetaan käytettävän lääketieteellisten tilojen diagnosointiin, biologisten solujen tarkkailuun ja uusien materiaalien kehittämiseen.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten laserit aikovat näytellä keskeistä roolia tulevina vuosikymmeninä.

Laserin aiheuttaman magnetismin tulevaisuuden potentiaali

ERC Synergy Grantin ja Knut ja Alice Wallenberg -säätiön rahoittama tutkimus, jossa ei-magneettiset materiaalit muutettiin magneettisiksi huoneenlämmössä, totesi, että fysiikassa aineen kollektiivinen järjestys on yksi perus- ja kiehtovimmista ilmiöistä, ja että dynaaminen multiferroisuus on otettu käyttöön kuvaamaan magnetisaation syntyä. 

“Yksinkertaisesti sanottuna, kiteen ionien koherentti kiertoliike indusoi magneettimomentin kiertosuuntaan”, se totesi. 

Tämän mekanismin ansiosta tiimi pystyi osoittamaan magnetisaation arkkityyppisessä paraelektrisessä perovskiitissa SrTiO3. Nämä tulokset on jo toistettu useissa muissa laboratorioissa.

Kuitenkin materiaalin magnetismi säilyi vain noin triljoonasosa sekunnin ajan. Se ei ole ollut riittävän pitkä soveltamiseen tietokoneen muistissa.

Tämän sanottua, tämä on loistava lähtökohta, jossa tiedemiehet ovat vihdoin pystyneet tuomaan teorian käytäntöön. Tämä varmasti tarjoaa tärkeitä teknologisia sovelluksia, jotka toteutuvat ajan myötä lisääntyvällä tutkimuksella.

Kokeen löydökset, tutkimuksen mukaan, osoittavat uuden polun magnetismin hallintaan. Tämä voitaisiin hyödyntää äärimmäisen nopeissa magneettikytkimissä, esimerkiksi valon avulla tapahtuvassa kiderakenteen värähtelyjen koherentissa ohjauksessa.

Lisäksi, vaikka tämä tutkimus aloitti strontiittitaaniin, tulevaisuudessa voidaan tutkia muita monimutkaisempia materiaaleja, jotka saattavat pystyä ylläpitämään magnetismiaan pidempään. Tästä eteenpäin ainoa suunta on eteenpäin, uusien jännittävien löytöjen myötä, jotka avaavat oven niiden käyttöön tietokoneiden laitteissa.

Kuten tutkimuksen tekijä Alexander Balatsky, NORDITA:n fysiikan professori, totesi:

“Tätä voidaan käyttää nopeampaan tiedonsiirtoon ja huomattavasti parempaan tiedon tallennukseen, sekä tietokoneisiin, jotka ovat merkittävästi nopeampia ja energiatehokkaampia.”

Joten, vaikka tulokset ovat lupaavia ja voivat johtaa suuriin parannuksiin elektroniikassa ja laskennassa, jotka perustuvat magnetisaatioon, lisätyö on tarpeen.

Klikkaa tästä oppiaksesi kvanttilaskennan nykytilasta.