レーザーを使用して非磁性物質を磁化すると、現代のコンピューターが変革する可能性がある

量子コンピューティングには大きな可能性があります。それは産業を完全に変革し、宇宙への理解の仕方を変える可能性があります。量子コンピューティングでは、量子力学の原理とコンピューターサイエンスを組み合わせることで、大量のデータを並行して処理して複数の解決策を探索することで、複雑な問題を簡単に解決できます。 

このように、量子コンピューターは、創薬、気候モデリング、AI 機能の強化、最適化問題の解決に役立ちます。また、既存の暗号化方式を破り、解読不可能な量子暗号化システムを作成することで、サイバーセキュリティの分野でも可能性を秘めています。

長年にわたり、私たちは量子超越性、誤り訂正符号、クラウドベースの量子コンピューターなど、量子コンピューティングにおいて大きな進歩を遂げてきました。しかし、この進歩は主に研究室の極低温に限定されており、これから変化する可能性があります。 

さて、北欧5カ国、ストックホルム大学、ヴェネツィアのカフォスカリ大学の共同研究である北欧理論物理学研究所(NORDITA)の研究者たちは、 室温での量子の挙動を実証することに成功した レーザー光を利用して。レーザー光によって、非磁性材料を磁性にすることが初めて可能になりました。

磁気はコンピューターの機能に重要な役割を果たしているため、これは非常に重要です。コンピュータのメモリは、電圧で磁化された小型の電磁石を使用して、「オン」または「オフ」の 2 値状態を可能にします。原子と電子が磁場に反応する方法により、電子デバイスはデータの読み取り、書き込み、操作を行うことができます。

この新しい研究で、研究者らは、非磁性材料を高周波レーザー放射にさらすと、室温で磁気効果がどのように生じるかを示しました。

この新たなブレークスルーは、よりエネルギー効率が高く、より高速なコンピュータ、情報転送、データ ストレージへの道を開く可能性を秘めています。これは、エレクトロニクス、特に絶対零度 (摂氏 -273 度) 付近の温度で動作する傾向がある量子技術を使用して構築された機械に革命をもたらす上で、信じられないほどの有望性を示しています。

非磁性材料を磁性体に変える

最新の研究では、研究者らは、化学反応性の高いストロンチウム (Sr) と軽量のチタン (Ti) の酸化物であるチタン酸ストロンチウム (SrTiO₃) を使用しました。人間の居住温度ではペロブスカイト構造を持ち、誘電率が高いことで知られています。

この材料に高周波レーザーの光を照射すると、原子がかき混ぜられ、可動化されました。これによりチタン酸ストロンチウム内に電流が発生し、磁性が生じました。

研究の筆頭著者でストックホルム大学の物理学者ステファノ・ボネッティ氏とカ・フォスカリ氏は、この手法の斬新さについて次のように語った。

「光によってこの材料内の原子と電子を円運動で動かして、冷蔵庫の磁石と同じくらい磁気を帯びる電流を生成するというコンセプトです。」

ただし、非磁性材料を磁性体に変えることは何も新しいことではありません。それは以前から予測され、検討されていました。 

2015 年に遡ると、自然 公表 研究により、銅とマンガンという 2 つの一般的な非磁性金属が、 磁石に変えることができる 金属の薄膜を炭素ベースの有機分子と結合させることによって。結果は室温で得られましたが、磁力は弱く、数日後には消えてしまいました。

この実験は、元素が磁性になる原因を研究した、リード大学の理論物理学者エドモンド・ストーナーによる 1930 年代の理論に基づいています。

2020年、研究チームはまた、 非磁性の酸化物材料を改質して磁性を持たせる 各材料の制御された層ごとの成長を通じて。同年、別の研究チームが電気を利用して、非磁性の黄鉄鉱または硫化鉄の磁性をオンにしました。の この研究で使用された技術は電解質ゲートですこれは、黄鉄鉱を電解質 (イオン液体) と接触させ、その後 1 ボルトの電気を加えることで、正に帯電した分子を動かし、測定可能な磁力を生成しました。この場合、電圧をオフにすると磁気も遮断されます。

光を使って物質の特性を変えることも、ここしばらく科学界でかなりの注目を集めています。 

問題は、磁石と磁場は通常、循環電流によって生成されるということです。 2019年、物理学者は非磁性金属ディスクを直線偏光で照射し、電流を循環させてディスク内に磁気を自発的に発生させました。原則として、 この方法は非鉄金属を磁石に変えることができます レーザー光を使った「オンデマンド」。

光を使用して原子を回転させ、電流を生成する

巨視的スケールでの回転によって引き起こされる磁化は、バーネット効果として知られています。この効果の下では、材料は全体的に回転して、配列されていない磁性材料の電子の固有の角回転を揃えて、その内部に正味の磁場を生成します。

新しい実験では、円偏光レーザーパルスを利用して非磁性材料で原子スケールの回転を実現した。パルスは材料内の原子を回転させ、レーザーの周波数と共鳴する円偏光振動である集合的なキラルフォノンを生成します。

このために、遠赤外線（FIR）の新しい光源が開発されました。これは円偏光、つまり「コルク抜き」のような形状をしています。この偏光を持つレーザー光が物質に入射すると、円偏光が原子に伝達され、原子を回転させることで原子電流が発生します。光の周波数が原子の振動と一致すると、この効果が増幅され、結果として非常に大きな磁気が発生します。 

そこで、ボネッティ率いる国際グループが実施した実験では、量子材料であるチタン酸ストロンチウム（SrTiO3）に、特有の波長と偏光をもつ強力だが短いレーザー光線を照射して磁気を誘導した。 800 nm、ピコ秒の長さのパルスは、100 μm の遠赤外線レーザーから発射されました。 

特に、プローブパルスのカー回転が測定されました。研究チームは160ケルビンから360ケルビンまでの様々な温度条件を用いて測定を行いました。その結果、280ケルビン（7℃）で最も高い応答が得られたことが示されました。この時点で、パルスのテラヘルツ電場は材料の第一光フォノンモードと共鳴していました。

In Nature に掲載されたこの最新の研究、筆頭著者のボネッティ氏は、材料が室温で実際にどのように磁性を帯びるかを明確に誘導して確認することができたのはこれが初めてだったと述べた。 

このアプローチにより、研究チームは「通常、磁石は金属で作られるが、多くの絶縁体から磁性材料を作ることができる」と付け加えた。

一方、レーザー技術によって誘起された磁化の程度は、光が物質の磁性に応じて異なる反射をするという確立された効果を利用して測定されました。

彼らの実験では、測定結果から、材料が磁性を帯びていることが分かりました。しかし、この量を計算するための既知の理論的方法に基づく誘導磁化の大きさは、予想よりも約 4 桁大きかった。この違いは、物理学者が計算時に行った過度の単純化に起因します。 

別の研究グループは、円偏光赤外線レーザーパルスを使用して、非磁性材料に磁気効果を一時的に誘導しました。 

オランダのラドボウド大学の科学者は、日本の日本大学と協力してこれを行いましたが、従来の広帯域パルスの代わりに、FELIX 自由電子レーザーからの非常に狭帯域のパルスを使用したため、特定の格子振動をより適切にターゲットにすることができました。共振。彼らはさらに、作成された磁化を使用して磁性合金の磁化を切り替えました。

これらの研究者らによると、フォノニック共鳴は、磁気メディアにデータを書き込む新しい高速な方法として使用できる可能性があります。円偏光の回転方向を変えることで、磁化の方向も変えることができました。

レーザー光の利用の拡大

レーザー光の使用は急速に増加しています。ちょうど今週、 科学者たちは新しい発見をしました: 集中したレーザービームは固体材料の磁性状態を変化させることができ、超高速コンピューティングメモリにおける大きな可能性を示します。

このため、科学者らは、光の磁場の周波数と振幅と磁性材料のエネルギー吸収特性との関係を記述する新しい「元素」方程式を作成しました。 エルサレムのヘブライ大学の物理学教授アミール・カプア氏は次のように述べています。

「これにより、光磁気記録を根本的に見直し、まだ存在していない高密度でエネルギー効率とコスト効率に優れた光磁気ストレージデバイスへの道を切り開くことができます。」 

この技術は、将来的にはより高速で効率的な MRAM コンポーネントにつながると期待されています。 

実際、世界のレーザー技術市場規模は 投影 レーザー市場は、現在の29.5億ドルから20年後にはXNUMX億ドルに成長すると予想されています。これらの数字は、レーザーが様々な産業で幅広い可能性を秘めていることを反映しています。

レーザーは、放射線の放出を刺激することによって光線を生成する光学デバイスです。高強度、コヒーレンス、単色性、指向性などのこの光の独特な特性により、レーザーは医療、通信、科学、軍事などで広く使用されています。その結果、レーザー分野では多くの発明や実験が行われてきました。

つい最近、ルーマニアの科学者たちは、 作成した 世界最強のレーザー放射は、太陽が放出し地球に届くエネルギーの10分の10に相当します。ブカレスト近郊のフランス企業タレスが運営するセンターに設置されたこのレーザーは、25ペタワット（XNUMX京ワット）の出力を持つと報告されています。このピークは、約XNUMXフェムト秒という極めて短い時間、わずかXNUMXマイクロメートルの幅でのみ達成されました。

科学者らは、レーザーが健康から宇宙に至るまでの分野にわたって革命的な進歩をもたらすことを期待している。本発明は、核廃棄物の処理やスペースデブリの除去に応用することができる。

別の最近の研究では、理研の物理学者が レーザー光の超短パルスを実現 そのピーク電力は6兆ワットでした。これは原子力発電所6,000基が生み出す電力に匹敵します。この成果は、電子の研究を可能にするアト秒レーザーの開発に役立ちます。 

昨年、アンヌ・ルイリエ、ピエール・アゴスティーニ、フェレンツ・クラウスは、アト秒（1京秒）の光パルスの研究でノーベル物理学賞を受賞した。

これらの超短レーザー パルスは、非常に高速なプロセスを解明するのに役立ち、科学者にプロセスを捕捉して調査する強力な方法を提供します。 

「アト秒レーザーは電子の動きを捉えることを可能にし、基礎科学に大きく貢献しました。」

– 理化学研究所光科学研究センターの高橋英治氏

病状の診断や生体細胞の観察、新素材の開発などへの活用が期待されている。

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レーザー誘起磁気の将来性

ERC Synergy Gran とクヌート・アンド・アリス・ワレンバーグ財団の資金提供により、室温で非磁性材料を磁性に変えるこの研究では、物理学において、物質の集団秩序は最も基本的で興味深い出来事の 1 つであり、動的多重強磁性が磁化の出現を説明するために導入されました。 

「簡単に言うと、結晶内のイオンのコヒーレントな回転運動により、回転軸に沿って磁気モーメントが誘発されます」と研究報告書は述べています。 

まさにこのメカニズムにより、研究チームは典型的な常誘電体ペロブスカイト SrTiO3 の磁化を実証することができました。これらの結果は、他のいくつかの研究室ですでに再現されています。

しかし、この物質の磁性は約1兆分の1秒しか持続せず、コンピュータメモリへの応用には不十分でした。

そうは言っても、これは科学者たちが最終的に理論を実用化することができた素晴らしい出発点です。これには確かに重要な潜在的な技術応用があり、研究が進めば時間の経過とともに実現されるでしょう。

研究によると、実験結果は磁気制御の新たな道を示しています。これは、たとえば、光を使用した格子振動のコヒーレント制御を通じて、非常に高速な磁気スイッチに利用できる可能性があります。

さらに、この研究はチタン酸ストロンチウムから始まりましたが、将来的には磁性を長期間維持できる可能性のある他のより複雑な材料も研究される可能性があります。ここからは、コンピューティング デバイスでの使用への扉を開く、さらにエキサイティングな発見が行われる唯一の方法があります。

研究著者であるNORDITAの物理学教授Alexander Balatsky氏は次のように述べています。 

「これを使用すると、情報転送が高速化され、データ ストレージが大幅に向上し、コンピュータの速度が大幅に向上し、エネルギー効率が向上します。」

したがって、結果は有望であり、磁化に基づいたエレクトロニクスとコンピューティングの大幅な改善につながる可能性がありますが、さらなる研究が必要です。

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