Het gebruik van lasers om niet-magnetische stoffen te magnetiseren kan moderne computers transformeren

Kwantumcomputing heeft een enorm potentieel. Het kan hele industrieën transformeren en onze kennis van het universum veranderen. Door de principes van kwantummechanica te combineren met computerwetenschap, kan kwantumcomputing complexe problemen gemakkelijk oplossen door grote hoeveelheden gegevens parallel te verwerken en meerdere oplossingen te onderzoeken.

Op deze manier kunnen kwantumcomputers helpen bij de ontdekking van medicijnen, klimaatmodellering, het verbeteren van AI-mogelijkheden en het oplossen van optimalisatieproblemen. Ze hebben ook potentieel in cybersecurity door bestaande encryptiemethoden te breken en onbreekbare kwantumencryptiesystemen te creëren.

In de loop der jaren hebben we aanzienlijke vooruitgang geboekt in kwantumcomputing, waaronder kwantumsuprematie, foutcorrectiecodes en cloud-gebaseerde kwantumcomputers. Deze vooruitgang is echter grotendeels beperkt gebleven tot de extreem lage temperaturen van laboratoria, wat mogelijk op het punt staat te veranderen.

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

Dit is van het grootste belang omdat magnetisme een sleutelrol speelt in de werking van een computer. Computergeheugen gebruikt kleine elektromagneten die gemagnetiseerd worden met voltage 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 om gegevens te lezen, schrijven en manipuleren.

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

Deze doorbraak heeft het potentieel om de weg te banen voor energie-efficiëntere en snellere computers, gegevensoverdracht en gegevensopslag. Het toont een geweldig beloftevolle toekomst voor de revolutie van elektronica, met name apparaten die zijn gebouwd met kwantumtechnologie, die meestal opereren bij temperaturen rond het absolute nulpunt (-273 graden Celsius).

Niet-magnetische materialen magnetisch maken

In de laatste studie gebruikten de onderzoekers strontiumtitaat (SrTiO₃), een oxide van het hoogst chemisch reaktieve strontium (Sr) en het lichtgewicht titanium (Ti). Bij de temperatuur waarbij mensen kunnen leven, heeft het een perovskietstructuur en is het bekend vanwege zijn hoge diëlektrische constante.

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

Over de nieuwheid van hun methode zei de hoofdauteur van de studie, Stefano Bonetti, een natuurkundige aan de Universiteit van Stockholm en Ca’ Foscari:

“In het concept van het laten bewegen van atomen en elektronen in dit materiaal in een cirkelvormige beweging, om stromen te genereren die het even magnetisch maken als een koelkastmagneet.”

Niet-magnetische materialen magnetisch maken is niets nieuws, hoewel. Het is eerder voorspeld en onderzocht.

In 2015 publiceerde Nature onderzoek dat ontdekte dat koper en mangaan, twee gewone niet-magnetische metalen, in magneten kunnen worden omgezet door dunne films van de metalen te combineren met koolstofgebaseerde organische moleculen. Hoewel de resultaten bij kamertemperatuur werden behaald, was het magnetisme zwak en verdween het na een paar dagen.

Dit experiment was gebaseerd op een theorie uit de jaren dertig van de theoretische natuurkundige Edmund Stoner van de Universiteit van Leeds, die onderzocht wat het mogelijk maakt voor een element om magnetisch te zijn.

In 2020 kon een onderzoeksteam niet-magnetische oxide-materialen modificeren en magnetisch maken door een gecontroleerde groei van elk materiaal laag voor laag. Hetzelfde jaar gebruikte een ander team van onderzoekers elektriciteit om magnetisme in te schakelen in het niet-magnetische pyriet of ijzersulfide. De techniek die in deze studie werd gebruikt was elektrolytische poorting, die bestond uit het hebben van pyriet in contact met een elektrolyt (ionische vloeistof) en vervolgens één volt elektriciteit toe te passen dat positief geladen moleculen verplaatste en een meetbaar magnetisch veld creëerde. 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, is ook al enige tijd wetenschappelijke aandacht aan het trekken.

Het feit 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, circulerende elektrische stromen en magnetisme ontstond spontaan in de schijf. In principe kan deze methode niet-ferromagnetische metalen in magneten omzetten “op aanvraag” met laserlicht.

Licht gebruiken om atomen te roteren en stroom te genereren

Magnetisatie die wordt veroorzaakt door rotatie op macroscopische schaal wordt de Barnett-effect genoemd. Onder deze invloed wordt een materiaal volledig geroteerd om de inherente rotaties van de elektronen in het materiaal uit te lijnen en een netto magnetisch veld te genereren.

In het nieuwe experiment werd rotatie op atoomschaal gemaakt in niet-magnetische materialen door cirkelvormig gepolariseerde laserpulsen te gebruiken. De pulsen roteerden de atomen in het materiaal om collectieve chirale fononen te produceren, die cirkelvormig gepolariseerde trillingen zijn die resonant zijn met de frequentie van de laser.

Hiervoor werd een nieuwe lichtbron ontwikkeld in het ver-infrarood (FIR), die cirkelvormig gepolariseerd is, wat betekent dat het een ‘kurkentrekker’-vorm heeft. Wanneer laserlicht met deze polarisatie een materiaal binnengaat, wordt de cirkelvormige polarisatie overgedragen op de atomen door ze te roteren en atoomstromen te produceren. Als de frequentie van het licht overeenkomt met de trillingsfrequentie van het atoom, wordt het effect versterkt en als gevolg daarvan wordt een vrij sterk magnetisme gegenereerd.

Dus het experiment dat werd uitgevoerd door de internationale groep onder leiding van Bonetti, onderwierp het kwantummateriaal strontiumtitaat (SrTiO3) aan intense maar korte laserstralen van een bijzondere golflengte en polarisatie om magnetisme te induceren. De 800-nm, picoseconde-lange pulsen werden afgevuurd vanuit een 100-µm ver-infraroodlaser.

In het bijzonder werd de Kerr-rotatie van de sonde-pulsen gemeten. Het team gebruikte ook diverse temperaturen, variërend van 160 tot 360 Kelvin. Dit liet zien dat de sterkste respons werd behaald bij 280 K (7°C). Op dit punt was het terahertz-elektrisch veld van de pulsen resonant met de eerste optische fonon-modus van het materiaal.

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

Deze aanpak stelde het team ook in staat “om magnetische materialen te maken van veel isolatoren, terwijl magneten meestal zijn gemaakt van metalen”, voegde hij eraan toe.

Ondertussen werd de mate van magnetisatie die werd geïnduceerd via de laserstechniek gemeten met een gevestigd effect, waarbij licht op een materiaal anders weerkaatst, afhankelijk van zijn magnetisme.

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

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

Wetenschappers van de Radboud Universiteit, Nederland, in samenwerking met de Nihon Universiteit, Japan, deden dit, maar in plaats van conventionele breedbandpulsen, gebruikten ze smalbandpulsen van de FELIX-vrije-elektronenlasers, die het mogelijk maakten om specifieke lattice-trillingen op resonantie te richten. Ze gebruikten ook de gegenereerde magnetisatie om de magnetisatie van een magnetisch legering om te schakelen.

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

De groeiende gebruik van laserlicht

Het gebruik van laserlicht groeit snel. Slechts deze week ontdekten wetenschappers: Een geconcentreerde laserbundel kan de magnetische toestand van een vast materiaal veranderen, met een enorm potentieel in ultrafast computing-geheugen.

Hiervoor bereidden de wetenschappers een nieuwe “elementaire” vergelijking voor die de link beschrijft tussen de frequentie en amplitude van het magnetisch veld van licht en de energieverbruikseigenschappen van een magnetisch materiaal.

Volgens Amir Capua, een natuurkundeprofessor aan de Hebrew University of Jerusalem:

“Het laat ons toe om optische magnetische opname volledig opnieuw te overwegen en onze weg te vinden naar een dichte, energie-efficiënte, kostenefficiënte optische magnetische opslagapparaat dat nog niet bestaat.”

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

De wereldwijde markt voor lasertechnologie wordt verwacht te groeien tot 29,5 miljard dollar voor het einde van het decennium, van de huidige 20 miljard dollar. Deze cijfers zijn te wijten aan het brede potentieel van lasers in verschillende industrieën.

Een laser is een optisch apparaat dat een lichtbundel produceert door de emissie van straling te stimuleren. Vanwege de unieke eigenschappen van dit licht, zoals hoge intensiteit, coherentie, monochromatie en richting, worden lasers op grote schaal gebruikt in de geneeskunde, communicatie, wetenschap, het leger en meer. Als gevolg hiervan zijn veel uitvindingen en experimenten gaande in de laserruimte.

Onlangs creëerden wetenschappers in Roemenië de sterkste laseremissie ter wereld, die een tiende deel van de kracht van de zon is en op aarde wordt ontvangen. Geïnstalleerd in een centrum in de buurt van Boekarest, beheerd door het Franse bedrijf Thales, zou de laser een uitgangsvermogen van 10 petawatt (10 quadriljoen watt) hebben. De piek werd alleen behaald voor een extreem korte periode, ongeveer 25 femtoseconden, en over een breedte van slechts drie micrometer.

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

In een recent onderzoek realiseerden RIKEN-fysici zeer korte pulsen van laserlicht die een piekvermogen van 6 biljoen watt hadden. Dit is evenveel als de kracht die wordt geproduceerd door 6.000 kerncentrales. Deze prestatie moet helpen bij de ontwikkeling van attosecondelasers, die de studie van elektronen mogelijk kunnen maken.

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

Deze ultra-korte laserpulsen kunnen helpen om extreem snelle processen te verlichten, waardoor wetenschappers een krachtige manier hebben om ze te vangen en te onderzoeken.

“Door het mogelijk te maken om de beweging van elektronen te vangen, hebben attosecondelasers een belangrijke bijdrage geleverd aan de basiswetenschap.”

– Eiji Takahashi van het RIKEN Center for Advanced Photonics

Ze worden verwacht te worden gebruikt om medische aandoeningen te diagnosticeren, biologische cellen te observeren en nieuwe materialen te ontwikkelen.

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

Toekomstig potentieel van laser-geïnduceerd magnetisme

Gefinancierd door een ERC Synergy Grant en de Knut en Alice Wallenberg Foundation, merkte de studie die niet-magnetische materialen magnetisch maakte bij kamertemperatuur op dat in de natuurkunde de collectieve orde van een materiaal een van de meest basale en fascinerende verschijnselen is en dat dynamische multiferroiciteit is geïntroduceerd om de opkomst van magnetisatie te beschrijven.

“In eenvoudige bewoordingen, de coherente roterende beweging van ionen in een kristal induceert een magnetisch moment langs de rotatieas”, aldus de studie.

Door deze mechanisme konden de onderzoekers magnetisatie aantonen in het archetypische para-electrische perovskiet SrTiO3. Deze resultaten zijn al in verschillende andere laboratoria gereproduceerd.

Echter, het magnetisme van het materiaal werd alleen gedurende ongeveer een triljardste van een seconde onderhouden. Het was niet lang genoeg om toepassing te vinden in computergeheugen.

Gezegd hebbende, dit is een goed startpunt waar wetenschappers eindelijk in staat zijn om theorie in praktijk om te zetten. Dit heeft zeker belangrijke potentieel technologische toepassingen die in de loop van de tijd met meer onderzoek zullen worden gerealiseerd.

De resultaten van het experiment, zoals vermeld in het onderzoek, laten een nieuwe weg zien voor magnetismecontrole. Dit kan worden gebruikt voor extreem snelle magnetische schakelaars, door bijvoorbeeld coherente controle van lattice-trillingen met licht.

Bovendien, terwijl deze studie is begonnen met strontiumtitaat, kunnen in de toekomst andere, complexere materialen worden onderzocht die mogelijk in staat zijn om hun magnetisme langer te behouden. Van hieruit is de enige weg vooruit, met meer spannende ontdekkingen die zullen worden gedaan en die de deur zullen openen naar toepassing in computers.

Zoals de auteur van de studie, Alexander Balatsky, professor in de natuurkunde aan NORDITA, zei:

“Dit kan worden gebruikt voor snellere gegevensoverdracht en aanzienlijk betere gegevensopslag, en voor computers die aanzienlijk sneller en energie-efficiënter zijn.”

Dus, terwijl de resultaten veelbelovend zijn en kunnen leiden tot grote verbeteringen in elektronica en computers die zijn gebaseerd op magnetisatie, is verdere werk nodig.

Klik hier om te leren over de huidige staat van kwantumcomputing.