Bruk av lasere for å magnetisere ikke‑magnetiske stoffer kan transformere moderne datamaskiner

Kvanteregning har enormt potensial. Den kan fullstendig transformere industrier og endre måten vi forstår universet på. Ved å kombinere prinsippene fra kvantemekanikk med datavitenskap gjør kvanteregning det mulig å løse komplekse problemer med letthet ved å behandle enorme mengder data parallelt og utforske flere løsninger. 

På denne måten kan kvantedatamaskiner bidra til legemiddelforskning, klimamodellering, forbedring av AI‑kapasiteter og løsning av optimaliseringsproblemer. De har også potensial innen cybersikkerhet ved å bryte eksisterende krypteringsmetoder og skape uknuselige kvantekrypteringssystemer.

Gjennom årene har vi gjort betydelige fremskritt innen kvanteregning, inkludert kvantesupreminens, feilkorrigeringskoder og skybaserte kvantedatamaskiner. Imidlertid har disse fremskrittene i stor grad vært begrenset til de ekstremt kalde temperaturene i laboratorier, noe som nå kan endre seg. 

Nå har forskere ved Nordisk institutt for teoretisk fysikk (NORDITA), et samarbeid mellom de fem nordiske landene, Stockholms universitet og Ca’ Foscari-universitetet i Venezia, med suksess demonstrert kvanteatferd ved romtemperatur ved å bruke laserlys. For første gang klarte laserlys å gjøre ikke‑magnetiske materialer magnetiske.

Dette er av største betydning fordi magnetisme spiller en nøkkelrolle i hvordan en datamaskin fungerer. Dataminne bruker små elektromagneter som magnetiseres med spenning for å muliggjøre de binære tilstandene «på» eller «av». Måten atomer og elektroner reagerer på magnetfelt på gjør at elektroniske enheter kan lese, skrive og manipulere data.

I denne nye studien viste forskerne nøyaktig hvordan eksponering av et ikke‑magnetisk materiale for høyfrekvent laserstråling kan skape en magnetisk effekt ved romtemperatur.

Dette nye gjennombruddet har potensial til å bane vei for mer energieffektive og raskere datamaskiner, informasjonstransfer og datalagring. Det viser utrolig lovende muligheter for å revolusjonere elektronikk, spesielt de maskinene som er bygget med kvanteteknologi, som vanligvis opererer ved temperaturer rundt absolutt null (-273 grader Celsius).

Gjør ikke‑magnetiske materialer magnetiske

I den siste studien brukte forskerne strontiumtitanat (SrTiO₃), en oksid av svært kjemisk reaktivt strontium (Sr) og lett titan (Ti). Ved temperaturer som er beboelige for mennesker har den en perovskittstruktur og er kjent for sin høye dielektriske konstant.

Dette materialet ble utsatt for lys fra en høyfrekvent laser, som rørte opp atomene og mobiliserte dem. Dette genererte elektriske strømmer innenfor strontiumtitanat, og gjorde det magnetisk.

Når de snakker om nyheten i metoden sin, sa studiens hovedforfatter Stefano Bonetti, en fysiker ved Stockholms universitet og Ca’ Foscari, at det var:

«I konseptet med å la lys bevege atomer og elektroner i dette materialet i en sirkulær bevegelse, for å generere strømmer som gjør det like magnetisk som en kjøleskapsmagnet.»

Å gjøre ikke‑magnetisk materiale magnetisk er imidlertid ikke noe nytt. Det har tidligere blitt forutsagt og undersøkt. 

Tilbake i 2015 publiserte Nature forskning som oppdaget at kobber og mangan, to vanlige ikke‑magnetiske metaller, kan gjøres om til magneter ved å kombinere tynne filmer av metallene med karbonbaserte organiske molekyler. Selv om resultatene ble oppnådd ved romtemperatur, var magnetismen svak og forsvant etter noen dager.

Dette eksperimentet var basert på en teori fra 1930‑tallet av teoretisk fysiker Edmund Stoner fra University of Leeds, som undersøkte hva som gjør det mulig for et grunnstoff å være magnetisk.

I 2020 klarte et forskerteam også å modifisere ikke‑magnetiske oksidmaterialer og gjøre dem magnetiske gjennom kontrollert lag‑for‑lag‑vekst av hvert materiale. Samme år brukte et annet forskerteam elektrisitet for å slå på magnetisme i den ikke‑magnetiske pyriten eller jernsulfiden. Teknikken som ble brukt i denne studien var elektrolytt‑gating, som innebar at pyrit ble i kontakt med en elektrolytt (ionisk væske) og deretter påført én volt elektrisitet som flyttet positivt ladede molekyler og skapte en målbar magnetisk kraft. I dette tilfellet førte avstengning av spenningen også til at magnetismen ble slått av.

Å bruke lys til å endre et materiales egenskaper har også fått betydelig vitenskapelig oppmerksomhet en stund nå. 

Poenget er at magneter og det magnetiske feltet vanligvis genereres av sirkulerende strømmer. I 2019 belyste fysikere ikke‑magnetiske metallskiver med lineært polariserte lys, noe som skapte sirkulerende elektriske strømmer og førte til at magnetisme spontant oppstod i skiven. I prinsippet kan denne metoden gjøre ikke‑jernholdige metaller til magneter «på forespørsel» ved bruk av laserlys.

Bruke lys til å rotere atomer og generere strøm

Magnetisering som skyldes rotasjon på makroskopisk skala er kjent som Barnett‑effekten. Under denne effekten roteres et materiale helt for å justere de iboende vinkelrotasjonene til de uordnede magnetiske materialenes elektroner, for å generere et netto magnetisk felt inni det.

I det nye eksperimentet ble rotasjon på atomskala utført i ikke‑magnetiske materialer ved å bruke sirkulært polariserte laserpulser. Pulsen roterte atomene i materialet og ga opphav til kollektive chirale fononer, som er sirkulært polariserte vibrasjoner som er resonante med laserens frekvens.

For dette ble en ny lyskilde utviklet i fjerninfrarødt (FIR), som er sirkulært polarisert, noe som betyr at den har en «korketrekkers» form. Når laserlys med denne typen polariseringsgrad treffer et materiale, overføres den sirkulære polariseringen til atomene ved å rotere dem og produsere atomære strømmer. Hvis lysets frekvens samsvarer med atomets vibrasjon, forsterkes effekten, og som resultat produseres en ganske stor magnetisme. 

Dermed ble eksperimentet som ble utført av den internasjonale gruppen ledet av Bonetti, utsatt for det kvantematerielle strontiumtitanatet (SrTiO3) til intense, men korte laserstråler med en spesiell bølgelengde og polariseringsgrad for å indusere magnetisme. De 800 nm, pikosekundlange pulsen ble avfyrt fra en 100 µm fjerninfrarød laser. 

Spesielt ble Kerr‑rotasjonen av probepulsene målt. Teamet brukte også ulike temperaturer, fra 160 til 360 Kelvin. Dette viste at den høyeste responsen ble oppnådd ved 280 K (7 °C). På dette tidspunktet var pulsenes terahertz‑elektriske felt resonante med materialets første optiske fononmodus.

I denne siste studien publisert i Nature bemerket hovedforfatter Bonetti at det var første gang de klarte å indusere og tydelig se hvordan materialet faktisk blir magnetisk ved romtemperatur. 

Denne tilnærmingen gjorde det også mulig for teamet «å lage magnetiske materialer fra mange isolatorer, når magneter vanligvis er laget av metaller», la han til.

I mellomtiden ble graden av magnetisering indusert via laserteknikken målt ved hjelp av en etablert effekt der lys reflekteres fra et materiale på ulike måter avhengig av dets magnetisme.

I deres eksperiment viste målingene at materialet hadde blitt magnetisk. Imidlertid var størrelsen på den induserte magnetiseringen, basert på kjente teoretiske metoder for å beregne denne mengden, omtrent fire størrelsesordener større enn forventet. Denne forskjellen ble tilskrevet forenklinger gjort av fysikerne i deres beregninger. 

En annen gruppe forskere brukte sirkulært polariserte infrarøde laserpulser for midlertidig å indusere en magnetisk effekt i et ikke‑magnetisk materiale. 

Forskere fra Radboud University i Nederland, i samarbeid med Nihon University i Japan, gjorde dette, men i stedet for konvensjonelle bredbåndspulser brukte de svært smalbåndspulser fra FELIX-fri‑elektronlasere, som gjorde dem i stand til bedre å målrette spesifikke gittervibrasjoner i resonans. De brukte videre den skapte magnetiseringen til å skifte magnetiseringen i en magnetisk legering.

Ifølge disse forskerne kan fononisk resonans brukes som en ny og rask måte å skrive data til magnetisk medium på. Å endre rotasjonsretningen til det sirkulært polariserte lyset gjorde også at teamet kunne endre retningen på magnetiseringen.

Den økende bruken av laserlys

Bruken av laserlys vokser raskt. Bare denne uken, gjorde forskere en ny oppdagelse: En konsentrert laserstråle kan endre et fast stoff sitt magnetiske tilstand, og viser enormt potensial innen ultrarask dataminneslagring.

For dette forberedte forskerne en ny “elementær” ligning som beskriver sammenhengen mellom frekvens og amplitude av lysets magnetfelt og energiinntaksegenskapene til et magnetisk materiale. Ifølge Amir Capua, fysikkprofessor ved Det hebraiske universitetet i Jerusalem:

«Det lar oss fullstendig revurdere optisk magnetisk lagring og finne veien til en tett, energieffektiv, kostnadseffektiv optisk magnetisk lagringsenhet som ennå ikke eksisterer.» 

Denne teknologien forventes å føre til raskere og mer effektive MRAM‑komponenter i fremtiden. 

Den globale laserteknologimarkedet er faktisk projisert til å vokse til 29,5 milliarder dollar før tiåret er over, opp fra den nåværende verdien på 20 milliarder dollar. Disse tallene skyldes laserens brede potensial i ulike industrier.

En laser er en optisk enhet som produserer en lysstråle ved å stimulere emisjon av stråling. På grunn av lysets unike egenskaper, som høy intensitet, koherens, monokromatisitet og retningsbestemmelse, brukes lasere bredt innen medisin, kommunikasjon, vitenskap, militæret og mer. Som et resultat har mange oppfinnelser og eksperimenter funnet sted innen laserområdet.

Nylig skapte forskere i Romania en verdens mest kraftfulle laserutslipp, som er en tidel av kraften solen avgir og som når jorden. Installert ved et senter nær Bucuresti, drevet av det franske selskapet Thales, rapporteres det at laseren har en effekt på 10 petawatt (10 kvadrillion watt). Toppverdien ble oppnådd kun i en ekstremt kort periode, omtrent 25 femtosekunder, og over en bredde på bare tre mikrometer.

Forskernes håp er at laseren vil føre til revolusjonerende fremskritt på tvers av sektorer fra helse til romfart. Denne oppfinnelsen kan brukes til å behandle nukleært avfall og rydde opp i romsøppel.

I en annen nylig forskning realiserte RIKEN-fysikere svært korte pulser av laserlys med en toppkraft på 6 billioner watt. Dette tilsvarer kraften som produseres av 6 000 kjernekraftverk. Denne prestasjonen skal bidra til å utvikle attosekundlasere som kan muliggjøre studier av elektroner. 

I fjor ble Anne L’Huillier, Pierre Agostini og Ferenc Krausz tildelt Nobelprisen i fysikk for deres forskning på attosekund (én kvintilliondel av et sekund) pulser av lys.

Disse ultrakorte laserpulsene kan belyse ekstremt raske prosesser, og gir forskere en kraftig metode for å fange og undersøke dem. 

«Ved å gjøre det mulig å fange bevegelsen til elektroner, har attosekundlasere gjort et betydelig bidrag til grunnforskning.»

– Eiji Takahashi fra RIKEN Center for Advanced Photonics

De forventes å bli brukt til å diagnostisere medisinske tilstander, observere biologiske celler og utvikle nye materialer.

Klikk her for å lære hvordan lasere vil spille en sentral rolle i de kommende tiårene.

Fremtidig potensial for laserindusert magnetisme

Finansiert av en ERC Synergy Grant og Knut og Alice Wallenberg‑stiftelsen, bemerket studien som gjorde ikke‑magnetiske materialer magnetiske ved romtemperatur at i fysikk er et materiales kollektive orden en av de mest grunnleggende og fascinerende forekomstene, og at dynamisk multiferroisitet har blitt introdusert for å beskrive fremveksten av magnetisering. 

«I enkle termer induserer den koherente roterende bevegelsen av ionene i en krystall et magnetisk moment langs rotasjonsaksen», står det. 

På grunn av denne mekanismen klarte teamet å demonstrere magnetisering i den arketypiske paraelektriske perovskitten SrTiO3. Disse resultatene har allerede blitt gjenskapt i flere andre laboratorier.

Imidlertid ble materialets magnetisme kun opprettholdt i omtrent en billiondel av et sekund. Det har ikke vært lenge nok til å finne sin anvendelse i dataminne.

Det sagt, er dette et flott utgangspunkt hvor forskere endelig har kunnet bringe teori til praksis. Dette har definitivt viktige potensielle teknologiske anvendelser som vil bli realisert over tid med mer forskning.

Eksperimentets funn, ifølge forskningen, viser en ny vei for kontroll av magnetisme. Dette kan brukes til ekstremt raske magnetiske brytere, for eksempel gjennom koherent kontroll av gittervibrasjoner ved bruk av lys.

Videre, selv om denne studien startet med strontiumtitanat, kan andre mer komplekse materialer utforskes i fremtiden som kan opprettholde sin magnetisme over lengre tidsperioder. Fra dette punktet er veien bare fremover med flere spennende oppdagelser som vil åpne døren for bruk i datamaskinenheter.

Som studiens forfatter Alexander Balatsky, professor i fysikk ved NORDITA, uttalte: 

«Dette kan brukes til raskere informasjonsoverføring og betydelig bedre datalagring, og for datamaskiner som er betydelig raskere og mer energieffektive.»

Så, selv om resultatene er lovende og kan føre til store forbedringer i elektronikk og databehandling som er basert på magnetisering, er ytterligere arbeid nødvendig.

Klikk her for å lære om den nåværende tilstanden til kvantedatabehandling.