Lasersien avulla ei-magneettiset aineet voidaan magnetisoida, mikä voi muuttaa modernit tietokoneet

Kvanttilaskenta omaa valtavan potentiaalin. Se voi muuttaa täysin teollisuudenaloja ja muuttaa ymmärrystämme maailmankaikkeudesta. Yhdistämällä kvanttimekaniikan periaatteet tietojenkäsittelytieteeseen, kvanttilaskenta mahdollistaa monimutkaisten ongelmien ratkaisemisen helposti prosessoiden valtavat tietomäärät rinnakkain useiden ratkaisujen tutkimiseen.

Tällä tavoin kvanttitietokoneet voivat auttaa lääkekehityksessä, ilmastoennusteoissa, tekoälykykyjen parantamisessa ja optimointiongelmien ratkaisemisessa. Ne myös tarjoavat potentiaalia kyberTurvallisuudessa murtamalla olemassa olevat salausmenetelmät ja luomalla murtamattomia kvanttiluottamuuden järjestelmiä.

Vuosisatojen aikana olemme tehneet merkittäviä edistysaskelia kvanttilaskennassa, mukaan lukien kvanttiylivoiman, virheenkorjauskoodit ja pilvipohjaiset kvanttitietokoneet. Kuitenkin tämä edistys on ollut pääosin rajoitettu erittäin kylmiin laboratoriolämpötiloihin, mikä saattaa olla muuttumassa.

Nyt tutkijat Pohjoismaisen teoreettisen fysiikan instituutissa (NORDITA), joka on yhteistyö viiden Pohjoismaan, Tukholman yliopiston ja Ca’ Foscari yliopiston välillä, ovat onnistuneesti osoittaneet kvanttitason käyttäytymisen huoneenlämmössä käyttämällä laservaloa. Ensimmäistä kertaa laservalo pystyi tekemään ei-magneettisista materiaaleista magneettisia.

Tämä on erittäin tärkeää, koska magnetismi on avainasemassa siinä, miten tietokone toimii. Tietokoneen muisti käyttää pienimuotoisia sähkömagneetteja, jotka magnetisoidaan jännitteellä, jotta voidaan mahdollistaa binääriset tilat “päällä” tai “pois”. Atomiiden ja elektronien reagointi magneettikenttiin mahdollistaa sähköisten laitteiden lukea, kirjoittaa ja muokata tietoja.

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

Uusi läpimurto mahdollistaa energiatehokkaampien ja nopeampien tietokoneiden, tietojen siirron ja tietojen tallennuksen kehittämisen. Se osoittaa uskomattoman lupaavaa potentiaalia sähköisten laitteiden vallankumouksessa, erityisesti niissä koneissa, jotka on rakennettu kvanttitieteellisellä teknologialla, joka toimii lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollaa (-273 astetta Celsius).

Muuttamalla ei-magneettisia materiaaleja magneettisiksi

Viimeisimmässä tutkimuksessa tutkijat käyttivät strontiumtitaania (SrTiO₃), joka on strontiumin (Sr) ja titaanin (Ti) oksidi. Ihmisen asuttavissa olosuhteissa se on perovskiittirakenteinen ja tunnettu korkeasta dielektrisestä vakiosta.

Tätä materiaalia altistettiin valolle korkeataajuisele laserista, joka häiritsi atomeja ja liikutti niitä. Tämä tuotti sähkövirtoja strontiumtitaatissa, mikä teki siitä magneettisen.

Puhuessaan heidän menetelmänsä uudellisuudesta, tutkimuksen johtaja Stefano Bonetti, fysiikan professori Tukholman yliopistossa ja Ca’ Foscari yliopistossa, sanoi, että:

“Valon antaminen atomien ja elektronien liikuttamiseen tällä tavoin, jotta voidaan generoida virtoja, jotka tekevät siitä yhtä magneettista kuin jääkaappimagneetti.”

Ei-magneettisten materiaalien muuttaminen magneettisiksi ei ole mitään uutta, vaan se on jo aiemmin ennustettu ja tutkittu.

Vuonna 2015 Nature julkaisi tutkimuksen, jossa havaittiin, että kupari ja mangaani, kaksi yleistä ei-magneettista metallia, voidaan muuttaa magneeteiksi yhdistämällä ohuita metalleja hiiliin perustuvien orgaanisten molekyylien kanssa. Vaikka tulokset saavutettiin huoneenlämmössä, magnetismi oli heikko ja katosi muutaman päivän kuluttua.

Tämä kokeilu perustui 1930-luvun teoreetikko Edmund Stonerin teoriaan Leedsin yliopistosta, joka tutki, mitä mahdollistaa alkuaineen olemassaolon magneettisena.

Vuonna 2020 tutkimusryhmä pystyi muokkaamaan ei-magneettisia oksidimateriaaleja ja tekemään niistä magneettisia kontrolloidun kerroksittaisen kasvun kautta. Samana vuonna toinen tutkimusryhmä käytti sähköä magneettisuuden käyttöön ei-magneettisessa pyriitissä eli rautasulfidissa. Tässä tutkimuksessa käytetty menetelmä oli elektrolyyttiportti, jossa pyriitti oli kosketuksissa elektrolyytin (ionisoidun nesteen) kanssa ja siihen sovellettiin yhden voltin sähköä, joka liikutti positiivisesti varattuja molekyylejä ja loi mitattavan magneettisen voiman. Tässä tapauksessa jännitteen sammuttaminen sammutti myös magneettisuuden.

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

Asia on, että magneetit ja magneettikenttä syntyvät yleensä virtauksien kiertämisestä. Vuonna 2019 fyysikot valaisivat ei-magneettisia metallilevyjä lineaarisesti polaroidulla valolla, jolloin sähkövirrat kiersivät ja magneettisuus ilmaantui levyyn. Periaatteessa tämä menetelmä voi muuttaa ei-rautametalteja magneeteiksi “tarpeen mukaan” laserin avulla.

Valon käyttäminen atomeiden pyörittämiseen ja virran generointiin

Magneettisuus, joka johtuu makroskooppisesta pyörimisestä, tunnetaan Barnett-ilmiönä. Tämän ilmiön alaisena materiaali pyöritetään kokonaisuudessaan säätelemään epäjärjestyksessä olevan magneettisen materiaalin elektronien sisäisiä pyörimisliikkeitä, jotta voidaan generoida verkkomagneettikenttä siinä.

Uudessa kokeessa atomien pyöriminen tehtiin ei-magneettisissa materiaaleissa luottamalla pyörivästi polarisoituihin laserimpulsseihin. Impulssit pyörittivät atomeja materiaalissa, jolloin saatiin aikaan kollektiivisia kiraalisia fononeja, jotka ovat pyörivästi polarisoituneita värähtelyjä, jotka ovat resonanssissa laserin taajuuden kanssa.

Tätä varten kehitettiin uusi valolähde kaukaa-infrapuna- (FIR) alueella, joka on pyörivästi polarisoitunut, eli sillä on “korkkiruuvimainen” muoto. Kun tällainen polarisoitunut valo tulee materiaaliin, sen pyörivä polarisaatio siirretään materiaalin atomeihin pyörittämällä niitä ja tuottamalla atomivirtoja. Jos valon taajuus vastaa atomin värähtelyn taajuutta, vaikutus vahvistuu, ja tuloksena saadaan hyvin suuri magneettisuus.

Niinpä Bonetin johtama kansainvälinen ryhmä altisti kvanttimateriaalin strontiumtitaatin (SrTiO3) voimakkaille, mutta lyhytaikaisille laserisäteille erityisellä aallonpituudella ja polarisaatiolla, jotta voidaan indusoida magneettisuus. 800 nm, pikosekuntia kestävät impulssit ammuttiin 100-µm kaukaa-infrapunalaserista.

Erityisesti mitattiin tutkijaryhmä Kerr-kiertoa tutkimusimpulssien osalta. Ryhmä käytti myös eri lämpötiloja, jotka vaihtelivat 160:stä 360 asteeseen Kelvin. Tuloksena saatiin, että suurin vastaus saavutettiin 280 K (7 °C):ssa. Tässä vaiheessa impulssien teraHz-sähkökenttä oli resonanssissa materiaalin ensimmäisen optisen fononin moodin kanssa.

Viimeisimmässä Nature-lehdessä julkaistussa tutkimuksessa johtaja Bonetti totesi, että se oli ensimmäinen kerta, kun he pystyivät indusoida ja näkemään, miten materiaali todella tulee magneettiseksi huoneenlämmössä selvästi.

Tämä lähestymistapa mahdollisti myös ryhmälle “magneettisten materiaalien valmistamisen useista eristeistä, kun magneetit yleensä valmistetaan metalleista”, hän lisäsi.

Samaan aikaan laseritekniikalla indusoidun magneettisuuden aste mitattiin vakiintuneen ilmiön avulla, jossa valo heijastuu materiaalista eri tavoin sen magneettisuuden mukaan.

Kokeessa mitattiin, että materiaali oli tullut magneettiseksi. Kuitenkin indusoidun magneettisuuden suuruus, joka laskettiin tunnetuilla teoreettisilla menetelmillä, oli noin neljä kertaa suurempi kuin odotettiin. Tämä ero johtui yksinkertaistuksista, jotka fyysikot tekivät laskelmissaan.

Toinen tutkimusryhmä käytti pyörivästi polarisoituneita infrapunaimpulsseja, jotta voidaan väliaikaisesti indusoida magneettinen vaikutus ei-magneettisessa materiaalissa.

Tutkijat Radboud-yliopistosta, Alankomaista, yhteistyössä Nihon-yliopiston, Japanin, kanssa tekivät tämän, mutta sen sijaan, että käyttivät perinteisiä laajakaistaisia impulssien, he käyttivät hyvin kapeakaistaisia impulssien FELIX-vapaa-elektronilaserista, mikä mahdollisti heille paremman kohdistamisen tiettyihin lattavärähtelyihin resonanssissa. He myös käyttivät luotua magneettisuutta vaihtamaan magneettisen seoksen magneettisuutta.

Näiden tutkijoiden mukaan fononiresonanssi voidaan käyttää uutena ja nopeana tavoin kirjoittaa tietoja magneettisille medioille. Pyörivän polarisoituneen valon kierron suunnan muuttaminen mahdollisti myös ryhmän muuttaa magneettisuuden suunnan.

Valon käytön kasvu

Laserin käyttö on kasvamassa nopeasti. Viime viikolla tutkijat tekivät uuden löydön: Tiheä laserisäde voi muuttaa kiinteän materiaalin magneettista tilaa, osoittaen valtavan potentiaalin ultra-nopeassa tietokoneen muistissa.

Tätä varten tutkijat loivat uuden “alkuaineen” yhtälön, joka kuvailee yhteyden valon magneettikentän taajuuden ja amplitudin sekä magneettisen materiaalin energiaominaisuuksien välillä. Professori Amir Capua, fysiikan professori Hebrew-yliopistossa Jerusalemissa:

“Se antaa meille mahdollisuuden täysin uudelleenarvioida optista magneettista tallennusta ja navigoida tiemme kohti tiheää, energiatehokasta, kustannustehokasta optista magneettista tallennuslaite, jota ei vielä ole olemassa.”

Tämä teknologia odotetaan johtavan nopeampiin ja tehokkaampiin MRAM-komponentteihin tulevaisuudessa.

Globaali laseriteknologian markkinan odotetaan kasvavan 29,5 miljardiin dollariin ennen vuosikymmenen loppua, ollen tällä hetkellä 20 miljardin dollarin arvossa. Nämä luvut johtuvat laserin laajasta potentiaalista useissa teollisuusaloissa.

Laser on optinen laite, joka tuottaa valosäteen stimuloimalla säteilyn emissiota. Tämän valon ainutlaatuisen ominaisuuksien, kuten suuren intensiteetin, koherenssin, monokromaattisuuden ja suunnattavuuden vuoksi laserit ovat laajasti käytössä lääketieteessä, viestinnässä, tieteessä, sotilaallisissa sovelluksissa ja muissa.

Viimeaikaisimmissa keksinnöissä ja kokeissa on tapahtunut paljon laserien parissa.

Romanian tutkijat luoivat maailman voimakkaimman laserin, joka on kymmenesosa auringon voimasta, mitä se saa maapallolle. Asennettu keskuksessa lähellä Bukarestia, jota operoi ranskalainen yhtiö Thales, laserin ilmoitetaan tuottavan 10 petawatin (10 biljoonaa wattia) tehon. Huippu saavutettiin vain erittäin lyhyen ajan, noin 25 femtosekunnin ajan, ja vain kolmen mikrometrin leveydelle.

Tutkijat toivovat, että laser johtaa vallankumouksellisiin edistysaskeliin terveydenhuollossa, avaruudessa ja muissa aloilla. Tämä keksintö voidaan soveltaa myös ydinjätteen käsittelyyn ja avaruusromun puhdistamiseen.

Toisessa viimeaikaisessa tutkimuksessa RIKENin fyysikot saavuttivat hyvin lyhyitä laser-valon impulssien, joiden huipputeho oli 6 biljoonaa wattia. Tämä on yhtä paljon kuin 6 000 ydinvoimalan tuottama teho. Tämä saavutus auttaa kehittämään attosekunti-laserit, jotka mahdollistavat elektronien tutkimisen.

Viime vuonna Anne L’Huillier, Pierre Agostini ja Ferenc Krausz saivat Nobelin fysiikanpalkinnon tutkimuksestaan attosekuntiin (yksi kvintiljoonasosa sekunnista) kestävistä valon impulssien.

Nämä ultra-lyhyet laserimpulssit voivat auttaa valaisemaan erittäin nopeita prosesseja, tarjoamalla tutkijoille voimakkaan tavan tallentaa ja tutkia niitä.

“Se antaa meille mahdollisuuden tallentaa elektronien liikkeen.”

– Eiji Takahashi, RIKENin edistyneen fotonikan keskuksen johtaja

Ne odotetaan olevan käytössä diagnosoiden sairauksia, tarkkailemalla biologisia soluja ja kehittämällä uusia materiaaleja.

Klikkaa tästä, jotta voit oppia, miten laserit ovat mukana tulevien vuosikymmenien aikana.

Laserin indusoidun magneettisuuden tulevaisuuden potentiaali

ERC Synergy Granin ja Knut ja Alice Wallenberg -säätiön rahoittamassa tutkimuksessa, jossa ei-magneettisia materiaaleja tehtiin magneettisiksi huoneenlämmössä, todettiin, että fysiikassa aineen kollektiivinen järjestys on yksi perustavimmista ja mielenkiintoisimmista ilmiöistä, ja dynaaminen moniferroisuus on esitelty magneettisuuden syntymisen kuvaamiseksi.

“Yksinkertaisesti sanottuna, ionien koherentti pyörimisliike kidejärjestelmässä indusoi magneettisen momentin pyörimisakselin suuntaisesti”, tutkimus toteaa.

Tämän mekanismin ansiosta tutkijaryhmä pystyi osoittamaan magneettisuuden arkkityypillisessä paraelektrisessä perovskiitissa SrTiO3. Nämä tulokset on jo toistettu useissa muissa laboratorioissa.

Kuitenkin materiaalin magneettisuus säilyi vain noin yhden triljoonnan osan sekunnista. Se ei ole ollut tarpeeksi pitkä aika sen soveltamiseksi tietokoneen muistiin.

On kuitenkin hyvä lähtökohta, jossa tutkijat ovat viimeinkin pystyneet tuomaan teorian käytännön tasolle. Tämä on varmasti tärkeä teknologinen sovellus, joka tulee toteutumaan ajan myötä lisätutkimuksen kautta.

Tutkimuksen tulokset, tutkimuksen mukaan, osoittavat uuden tien magneettisuuden hallintaan. Tätä voidaan käyttää erittäin nopeisiin magneettisiin kytkimiin, esimerkiksi kohdentamalla lattavärähtelyjä valon avulla.

Lisäksi, vaikka tämä tutkimus on aloitettu strontiumtitaatilla, voidaan tulevaisuudessa tutkia monimutkaisempia materiaaleja, jotka voivat säilyttää magneettisuutensa pidemmän aikaa. Tästä eteenpäin ainoa tie on eteenpäin, ja odotetaan, että tulemme näkemään mielenkiintoisia löytöjä, jotka avaavat oven käyttöön tietokoneissa.

Kuten tutkimuksen kirjoittaja Alexander Balatsky, fysiikan professori NORDITA:ssa, totesi:

“Tämä voidaan käyttää nopeamman tiedonsiirron ja huomattavasti paremman datatallennuksen kehittämiseen, ja se voi johtaa tietokoneisiin, jotka ovat merkittävästi nopeampia ja energiatehokkaampia.”

Joten, vaikka tulokset ovat lupaavia ja voivat johtaa suuriin parannuksiin sähköisissä laitteissa ja tietokoneissa, jotka perustuvat magneettisuuteen, tarvitaan lisätutkimusta.

Klikkaa tästä, jotta voit oppia kvanttilaskennan nykytilasta.