Laserlicht gebruiken om niet-magnetische stoffen te magnetiseren kan moderne computers transformeren

Quantum computing heeft een enorm potentieel. Het zou industrieën volledig kunnen transformeren en de manier waarop we het universum begrijpen veranderen. Door de principes van de quantummechanica te combineren met informatica, maakt quantum computing het mogelijk complexe problemen moeiteloos op te lossen door enorme hoeveelheden data parallel te verwerken en meerdere oplossingen te verkennen. 

Op deze manier kunnen quantumcomputers helpen bij medicijnontdekking, klimaatmodellering, het verbeteren van AI-capaciteiten en het oplossen van optimalisatieproblemen. Ze hebben ook potentieel in cyberbeveiliging door bestaande encryptiemethoden te breken en onbreekbare quantum-encryptiesystemen te creëren.

In de loop der jaren hebben we aanzienlijke vooruitgang geboekt in quantumcomputing, waaronder quantum suprematie, foutcorrigerende codes en cloudgebaseerde quantumcomputers. Deze vooruitgang is echter grotendeels beperkt gebleven tot de extreem koude temperaturen van laboratoria, wat mogelijk op het punt staat te veranderen. 

Nu hebben onderzoekers van het Nordic Institute for Theoretical Physics (NORDITA), een samenwerking tussen de vijf Noordse landen, de Stockholm Universiteit en de Ca’ Foscari Universiteit van Venetië, met succes kwantumgedrag bij kamertemperatuur aangetoond door gebruik te maken van laserlicht. Voor het eerst kon laserlicht niet-magnetische materialen magnetiseren.

Dit is van het grootste belang omdat magnetisme een sleutelrol speelt in de werking van een computer. Computergeheugen gebruikt kleinschalige elektromagneten die met spanning gemagnetiseerd worden om de binaire toestanden “aan” of “uit” mogelijk te maken. De manier waarop atomen en elektronen reageren op magnetische velden stelt elektronische apparaten in staat data te lezen, te schrijven en te manipuleren.

In deze nieuwe studie toonden onderzoekers aan hoe het blootstellen van een niet-magnetisch materiaal aan hoogfrequente laserstraling een magnetisch effect bij kamertemperatuur kan produceren.

De nieuwe doorbraak heeft het potentieel om de weg te banen voor energiezuinigere en snellere computers, informatieoverdracht en gegevensopslag. Het toont een ongelooflijk veelbelovend vooruitzicht voor de revolutie van elektronica, met name die machines die met quantumtechnologie zijn gebouwd en doorgaans opereren bij temperaturen rond het absolute nulpunt (-273 graden Celsius).

Niet-magnetische materialen magnetiseren

In de nieuwste studie gebruikten de onderzoekers strontiittitanaat (SrTiO₃), een oxide van zeer chemisch reactief strontium (Sr) en lichtgewicht titanium (Ti). Bij de door de mens bewoonbare temperatuur heeft het een perovskietstructuur en staat het bekend om zijn hoge dielektrische constante.

Dit materiaal werd blootgesteld aan licht van een hoogfrequente laser, die de atomen deed bewegen en mobiliseerde. Dit genereerde elektrische stromen binnen strontiittitanaat, waardoor het magnetisch werd.

Over de nieuwheid van hun methode zei de hoofd auteur van de studie, Stefano Bonetti, een natuurkundige aan de Stockholm Universiteit en Ca’ Foscari, dat het was:

“In het concept om licht atomen en elektronen in dit materiaal in een cirkelvormige beweging te laten bewegen, zodat er stromen worden gegenereerd die het net zo magnetisch maken als een koelkastmagneet.”

Het magnetiseren van niet-magnetisch materiaal is echter niets nieuws. Het is eerder voorspeld en onderzocht. 

In 2015 publiceerde Nature onderzoek waaruit bleek dat koper en mangaan, twee veelvoorkomende niet-magnetische metalen, in magneten kunnen worden omgevormd door dunne films van de metalen te combineren met koolstofgebaseerde organische moleculen. Hoewel de resultaten bij kamertemperatuur werden verkregen, was de magnetisatie zwak en vervaagde na enkele dagen.

Dit experiment was gebaseerd op een theorie uit de jaren 1930 van theoretisch natuurkundige Edmund Stoner van de Universiteit van Leeds, die onderzocht wat een element magnetisch maakt.

In 2020 kon een onderzoeksteam ook niet-magnetische oxidematerialen modificeren en magnetisch maken door gecontroleerde laag-voor-laag groei van elk materiaal. Hetzelfde jaar gebruikte een ander team onderzoekers elektriciteit om magnetisme in het niet-magnetische pyriet of ijzersulfide in te schakelen. De techniek die in deze studie werd gebruikt was elektrolyt gating, waarbij pyriet in contact werd gebracht met een elektrolyt (ionische vloeistof) en vervolgens één volt elektriciteit werd toegepast, waardoor positief geladen moleculen werden verplaatst en een meetbare magnetische kracht ontstond. In dit geval schakelde het uitschakelen van de spanning het magnetisme ook uit.

Het gebruik van licht om de eigenschappen van een materiaal te veranderen krijgt ook al geruime tijd aanzienlijke wetenschappelijke aandacht. 

Het punt is dat magneten en het magnetisch veld meestal worden gegenereerd door circulerende stromen. In 2019 verlichtten natuurkundigen niet-magnetische metalen schijven met lineair gepolariseerd licht, waardoor circulerende elektrische stromen ontstonden en magnetisme spontaan in de schijf opkwam. In principe kan deze methode niet-ijzerhoudende metalen in magneten omzetten “on-demand” met laserlicht.

Licht gebruiken om atomen te roteren & stroom te genereren

Magnetisatie die wordt veroorzaakt door rotatie op macroniveau staat bekend als het Barnett-effect. Bij dit effect wordt een materiaal volledig geroteerd om de inherente hoekrotaties van de wanordelijke magnetische elektronen uit te lijnen, waardoor een netto magnetisch veld in het materiaal ontstaat.

In het nieuwe experiment werd rotatie op atomaire schaal gerealiseerd in niet-magnetische materialen door gebruik te maken van cirkelvormig gepolariseerde laserpulsen. De pulsen roteerden de atomen in het materiaal om collectieve chirale fononen te produceren, dit zijn cirkelvormig gepolariseerde trillingen die resoneren met de frequentie van de laser.

Hiervoor werd een nieuwe lichtbron ontwikkeld in het verre-infrarood (FIR), die cirkelvormig gepolariseerd is, wat betekent dat hij een ‘kurkentreker’-vorm heeft. Wanneer laserlicht met dit type polarisatie een materiaal binnenkomt, wordt de cirkelvormige polarisatie overgedragen op de atomen door ze te roteren en atomische stromen te produceren. Als de frequentie van het licht overeenkomt met die van de trilling van het atoom, wordt het effect versterkt en ontstaat er daardoor een behoorlijk grote magnetisatie.

Dus, het experiment dat werd uitgevoerd door de internationale groep onder leiding van Bonetti onderwierp het kwantummateriaal strontiittitanaat (SrTiO3) aan intense maar korte laserstralen met een bijzondere golflengte en polarisatie om magnetisme op te wekken. De 800‑nm, picoseconden‑lange pulsen werden afgevuurd vanuit een 100‑µm verre‑infraroodlaser.

Specifiek werd de Kerr-rotatie van de probeerpulsen gemeten. Het team gebruikte ook verschillende temperaturen, variërend van 160 tot 360 Kelvin. Dit toonde aan dat de hoogste respons werd bereikt bij 280 K (7 °C). Op dat punt was het terahertz elektrische veld van de pulsen resonant met de eerste optische fononmodus van het materiaal.

In deze nieuwste studie gepubliceerd in Nature merkte de hoofd auteur Bonetti op dat het de eerste keer was dat ze duidelijk konden induceren en zien hoe het materiaal bij kamertemperatuur daadwerkelijk magnetisch wordt.

Deze benadering stelde het team bovendien “in staat om magnetische materialen te maken uit vele isolatoren, terwijl magneten doorgaans van metalen worden gemaakt,” voegde hij toe.

Ondertussen werd de mate van magnetisatie die via de lasertechniek werd geïnduceerd gemeten met behulp van een vastgesteld effect waarbij licht anders van een materiaal wordt weerkaatst afhankelijk van de magnetisatie.

In hun experiment toonden de metingen aan dat het materiaal magnetisch was geworden. Echter, de grootte van de geïnduceerde magnetisatie, gebaseerd op bekende theoretische methoden voor het berekenen van deze hoeveelheid, was ongeveer vier ordes van grootte groter dan verwacht. Dit verschil werd toegeschreven aan oversimplificaties die de natuurkundigen in hun berekeningen hadden gemaakt.

Een andere groep onderzoekers gebruikte cirkelvormig gepolariseerde infrarode laserpulsen om tijdelijk een magnetisch effect in een niet-magnetisch materiaal te induceren. 

Wetenschappers van de Radboud Universiteit, Nederland, in samenwerking met de Nihon Universiteit, Japan, deden dit, maar in plaats van conventionele breedbandpulsen gebruikten ze zeer smalbandpulsen van de FELIX free‑electron lasers, waardoor ze specifieke roostertrillingen beter konden richten op resonantie. Ze gebruikten de gecreëerde magnetisatie vervolgens om de magnetisatie van een magnetische legering te schakelen.

Volgens deze onderzoekers kan fononische resonantie worden gebruikt als een nieuwe en snelle manier om data naar magnetische media te schrijven. Het veranderen van de rotatierichting van het cirkelvormig gepolariseerde licht stelde het team ook in staat de richting van de magnetisatie te wijzigen.

De groeiende toepassing van laserlicht

Het gebruik van laserlicht groeit snel. Deze week, wetenschappers deden een nieuwe ontdekking: Een geconcentreerde laserstraal kan de magnetische toestand van een vast materiaal veranderen, wat een enorm potentieel aantoont voor ultrasnel computergeheugen.

Hiervoor hebben de wetenschappers een nieuwe “elementaire” vergelijking opgesteld die de link beschrijft tussen de frequentie en amplitude van het magnetische veld van licht en de energieabsorptie-eigenschappen van een magnetisch materiaal. Volgens Amir Capua, een natuurkundig professor aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem:

“Het stelt ons in staat om optische magnetische opname volledig te heroverwegen en ons pad te vinden naar een dicht, energie‑efficiënt, kosteneffectief optisch magnetisch opslagapparaat dat nog niet bestaat.” 

Deze technologie wordt verwacht tot snellere en efficiëntere MRAM‑componenten in de toekomst te leiden. 

De wereldwijde marktgrootte voor lasertechnologie wordt momenteel geschat te groeien tot $29,5 miljard vóór het einde van het decennium, een stijging ten opzichte van de huidige waardering van $20 miljard. Deze cijfers zijn te danken aan het brede potentieel van lasers in diverse industrieën.

Een laser is een optisch apparaat dat een lichtstraal produceert door de emissie van straling te stimuleren. Door de unieke eigenschappen van dit licht, zoals hoge intensiteit, coherentie, monochromaticiteit en richtingsgevoeligheid, worden lasers veel gebruikt in de geneeskunde, communicatie, wetenschap, het leger en meer. Als gevolg hiervan vinden er veel uitvindingen en experimenten plaats op het gebied van lasers.

Onlangs hebben wetenschappers in Roemenië gecreëerd de krachtigste laseremissie ter wereld, die één tiende van de kracht van de zon uitstraalt en op aarde wordt ontvangen. Geïnstalleerd in een centrum nabij Boekarest, beheerd door het Franse bedrijf Thales, zou de laser een output van 10 petawatt (10 quadriljoen watt) hebben. Het piekvermogen werd slechts gedurende een extreem korte periode bereikt, ongeveer 25 femtoseconden, en over een breedte van slechts drie micrometer.

De wetenschappers hopen dat de laser zal leiden tot revolutionaire doorbraken in sectoren variërend van gezondheid tot ruimte. Deze uitvinding kan worden toegepast om nucleair afval te behandelen en ruimtepuin op te ruimen.

In ander recent onderzoek realiseerden RIKEN‑fysici zeer korte pulsen van laserlicht met een piekvermogen van 6 biljoen watt. Dit is evenveel als het vermogen van 6.000 kerncentrales. Deze prestatie moet helpen bij de ontwikkeling van attosecondlazers die de studie van elektronen mogelijk maken. 

Vorig jaar werden Anne L’Huillier, Pierre Agostini en Ferenc Krausz bekroond met de Nobelprijs voor Natuurkunde voor hun onderzoek naar attosecondpulsen (een quintiljoenste van een seconde) van licht.

Deze ultrakorte laserpulsen kunnen extreem snelle processen belichten, waardoor wetenschappers een krachtig middel krijgen om ze vast te leggen en te onderzoeken. 

“Door het mogelijk te maken de beweging van elektronen vast te leggen, hebben attosecondlazers een belangrijke bijdrage geleverd aan de fundamentele wetenschap.”

– Eiji Takahashi van het RIKEN Center for Advanced Photonics

Er wordt verwacht dat ze worden gebruikt om medische aandoeningen te diagnosticeren, biologische cellen te observeren en nieuwe materialen te ontwikkelen.

Klik hier om te leren hoe lasers een cruciale rol zullen spelen in de komende decennia.

Toekomstig potentieel van laser‑geïnduceerde magnetisatie

Gefinancierd door een ERC Synergy Grant en de Knut en Alice Wallenberg Stichting, merkte de studie die niet-magnetische materialen bij kamertemperatuur magnetisch maakte op dat in de fysica de collectieve orde van materie een van de meest fundamentele en fascinerende verschijnselen is en dat dynamische multifericiteit is geïntroduceerd om het ontstaan van magnetisatie te beschrijven. 

“In eenvoudige termen induceert de coherente roterende beweging van de ionen in een kristal een magnetisch moment langs de rotatie-as,” stelde het. 

Door dit mechanisme kon het team magnetisatie aantonen in het archetypische para-elektrische perovskiet SrTiO3. Deze resultaten zijn al in verschillende andere laboratoria gereproduceerd.

Echter, de magnetisatie van het materiaal bleef slechts ongeveer een biljoenste van een seconde behouden. Het is nog niet lang genoeg geweest om toepassing te vinden in computergeheugen.

Dat gezegd hebbende, is dit een uitstekend startpunt waar wetenschappers eindelijk theorie in de praktijk hebben kunnen brengen. Dit heeft zeker belangrijke potentiële technologische toepassingen die na verloop van tijd met meer onderzoek gerealiseerd zullen worden.

De bevindingen van het experiment, volgens het onderzoek, tonen een nieuw pad voor magnetisme‑controle. Dit zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt voor extreem snelle magnetische schakelaars, via coherente controle van roostertrillingen met behulp van licht.

Bovendien, hoewel deze studie begon met strontiittitanaat, kunnen in de toekomst andere, complexere materialen worden onderzocht die hun magnetisatie gedurende langere tijd kunnen behouden. Vanaf hier is de enige weg vooruit met meer opwindende ontdekkingen die de deur zullen openen naar gebruik in rekenapparaten.

Zoals de studie‑auteur Alexander Balatsky, professor in de natuurkunde aan NORDITA, stelde: 

“Dit kan worden gebruikt voor snellere informatieoverdracht en aanzienlijk betere gegevensopslag, en voor computers die aanzienlijk sneller en energiezuiniger zijn.”

Dus, hoewel de resultaten veelbelovend zijn en kunnen leiden tot grote verbeteringen in elektronica en computing die gebaseerd zijn op magnetisatie, is verder werk nodig.

Klik hier om meer te leren over de huidige staat van quantumcomputing.