Användning av laser för att magnetisera icke-magnetiska ämnen kan förvandla moderna datorer

Kvantdatorer har enorm potential. De kan förvandla hela branscher och förändra vår förståelse av universum. Genom att kombinera principerna för kvantmekanik med datavetenskap, möjliggör kvantdatorer att lösa komplexa problem med lätthet genom att bearbeta stora mängder data parallellt och utforska flera lösningar. 

På detta sätt kan kvantdatorer hjälpa till med läkemedelsupptäckt, klimatmodellering, förbättring av AI-förmågor och lösning av optimeringsproblem. De har också potential inom cybersäkerhet genom att bryta befintliga krypteringsmetoder och skapa ogenomträngliga kvantkrypteringsystem.

Under åren har vi gjort betydande framsteg inom kvantdatorer, inklusive kvantsuperioritet, felkorrekturkoder och molnbaserade kvantdatorer. Men detta framsteg har i huvudsak varit begränsat till de extremt kalla temperaturerna i laboratorierna, vilket kan vara på väg att förändras. 

Nu har forskare vid Nordic Institute for Theoretical Physics (NORDITA), ett samarbete mellan de fem nordiska länderna, Stockholms universitet och Ca’ Foscari-universitetet i Venedig, lyckats demonstrera kvantbeteende vid rumstemperatur genom att använda laserljus. För första gången kunde laserljus göra icke-magnetiska material magnetiska.

Detta är av yttersta vikt eftersom magnetism spelar en nyckelroll i hur en dator fungerar. Datorns minne använder småskaliga elektromagneter som magnetiseras med spänning för att möjliggöra binära tillstånd av “på” eller “av”. Sättet som atomer och elektroner reagerar på magnetfält tillåter elektroniska enheter att läsa, skriva och manipulera data.

I denna nya studie visade forskarna hur exponering av ett icke-magnetiskt material för högfrekvent laserstrålning kan producera en magnetisk effekt vid rumstemperatur.

Den nya genombrottet har potentialen att bana väg för mer energieffektiva och snabbare datorer, informationsöverföring och datalagring. Det visar enastående löfte i att revolutionera elektronik, särskilt de maskiner som byggs med kvantteknik, som tenderar att operera vid temperaturer runt absolut noll (-273 grader Celsius).

Att göra icke-magnetiska material magnetiska

I den senaste studien använde forskarna strontiumtitanat (SrTiO₃), ett oxid av högt kemiskt reaktivt strontium (Sr) och lätt titan (Ti). Vid den mänskliga boendetemperaturen har det en perovskitstruktur och är känt för sin höga dielektriska konstant.

Materialet utsattes för ljus från en högfrekvent laser, som rörde upp atomerna och mobiliserade dem. Detta genererade elektriska strömmar inom strontiumtitanat, vilket gjorde det magnetiskt.

När det gäller nyheten i deras metod, sa studiens huvudförfattare Stefano Bonetti, en fysiker vid Stockholms universitet och Ca’ Foscari, att det var:

“I konceptet att låta ljus röra atomer och elektroner i detta material i en cirkulär rörelse, så att generera strömmar som gör det lika magnetiskt som en kylskåpsmagnet.”

Att göra icke-magnetiska material magnetiska är inte något nytt, men. Det har tidigare förutspåtts och undersökts. 

Redan 2015 publicerade Nature forskning som upptäckte att koppar och mangan, två vanliga icke-magnetiska metaller, kan göras magnetiska genom att kombinera tunna filmer av metallerna med kolbaserade organiska molekyler. Medan resultaten erhölls vid rumstemperatur, var magnetismen svag och försvann efter några dagar.

Denna experiment baserades på en teori från 1930-talet av den teoretiska fysikern Edmund Stoner från University of Leeds, som undersökte vad som gör det möjligt för ett element att vara magnetiskt.

2020 kunde en forskargrupp också modifiera icke-magnetiska oxidmaterial och göra dem magnetiska genom kontrollerad skikt-för-skikt-tillväxt av varje material. Samma år använde en annan grupp av forskare elektricitet för att slå på magnetism i det icke-magnetiska pyrit eller järnsulfid. Tekniken som användes i denna studie var elektrolytisk grindning, som innebar att ha pyrit i kontakt med en elektrolyt (jonisk vätska) och sedan applicera en volt elektricitet som flyttade positivt laddade molekyler och skapade en mätbar magnetisk kraft. I detta fall stängdes magnetismen av när spänningen stängdes av.

Användning av ljus för att ändra ett materials egenskaper har också fått betydande vetenskaplig uppmärksamhet under en tid. 

Saken är att magneter och magnetfält vanligtvis genereras av cirkulerande strömmar. 2019 belyste fysiker icke-magnetiska metallskivor med linjärt polariserat ljus, cirkulerande elektriska strömmar och magnetism uppstod spontant i skivan. I princip kan denna metod göra icke-järnmetaller magnetiska “på begäran” med hjälp av laserljus.

Användning av ljus för att rotera atomer och generera ström

Magnetisering som orsakas av rotation på en makroskopisk skala kallas Barnett-effekten. Under denna effekt roteras ett material helt för att bringa de inre rotationsrörelserna av de oordnade magnetiska materialets elektroner i linje och generera ett netto magnetfält inuti det.

I det nya experimentet skapades rotation på atomskala i icke-magnetiska material genom att använda cirkulärt polariserade laserpulser. Pulserna roterade atomerna i materialet för att ge kollektiva kiral fononer, som är cirkulärt polariserade vibrationer som är resonanta med laserfrekvensen.

För detta utvecklades en ny ljuskälla i det långa infraröda (FIR), som är cirkulärt polariserat, vilket innebär att det har en “korkskruv”-form. När laserljus med denna typ av polarisering kommer in i ett material, överförs den cirkulära polariseringen till dess atomer genom att rotera dem och producera atomströmmar. Om ljusets frekvens matchar atomens vibrationsfrekvens, förstärks effekten, och som ett resultat produceras en ganska stor magnetism. 

Således utsattes det kvantmaterial som användes i experimentet, strontiumtitanat (SrTiO3), för intensiva men korta laserstrålar med en särskild våglängd och polarisering för att inducera magnetism. De 800 nm, picosekund-långa pulserna sköts från en 100-µm lång infraröd laser. 

Speciellt mättes Kerr-rotationen av sondpulserna. Teamet använde också olika temperaturer, från 160 till 360 Kelvin. Det visade sig att den högsta responsen uppnåddes vid 280 K (7°C). Vid denna punkt var pulsernas terahertz-elektriska fält resonanta med materialets första optiska fononmod.

I denna senaste studie publicerad i Nature, noterade den ledande författaren Bonetti att det var första gången de kunde inducera och se hur materialet faktiskt blev magnetiskt vid rumstemperatur tydligt. 

Denna metod möjliggjorde också för teamet “att skapa magnetiska material av många isolatorer, när magneter vanligtvis tillverkas av metaller”, tillade han.

Samtidigt mättes graden av magnetisering som inducerades via lasertekniken med en etablerad effekt där ljus reflekterar annorlunda beroende på materialets magnetism.

I deras experiment visade mätningarna att materialet hade blivit magnetiskt. Men storleken på den inducerade magnetiseringen baserat på kända teoretiska metoder för beräkning av denna storhet var cirka fyra storleksordningar större än förväntat. Denna skillnad tillskrevs förenklingar som fysikerna gjorde i sina beräkningar. 

En annan grupp av forskare använde cirkulärt polariserade infraröda laserpulser för att tillfälligt inducera en magnetisk effekt i ett icke-magnetiskt material. 

Forskare från Radboud University i Nederländerna, i samarbete med Nihon University i Japan, gjorde detta, men istället för konventionella bredbandspulser, använde de mycket smalbandspulser från FELIX-fri-elektronlasrar, som möjliggjorde dem att bättre målmedvetet rikta in sig på specifika gittervibrationer vid resonans. De använde också den skapade magnetiseringen för att växla en magnetisk legerings magnetisering.

Enligt dessa forskare kan fononresonans användas som en ny och snabb metod för att skriva data till magnetiska medier. Att ändra den cirkulärt polariserade ljusets rotationsriktning tillät också teamet att ändra magnetiseringsriktningen.

Den ökande användningen av laserljus

Användningen av laserljus växer snabbt. Bara denna vecka upptäckte forskare en ny upptäckt: En koncentrerad laserstråle kan ändra ett fast materials magnetiska tillstånd, vilket visar en enorm potential i ultra-snabb datorminne.

För detta utvecklade forskarna en ny “elementär” ekvation som beskriver sambandet mellan frekvensen och amplituden av ljusets magnetfält och energiabsorptions egenskaperna hos ett magnetiskt material. Enligt Amir Capua, en fysikprofessor vid Hebrew University i Jerusalem:

“Det låter oss helt ompröva optisk magnetisk inspelning och navigera vår väg till en tät, energieffektiv, kostnadseffektiv optisk magnetisk lagringsenhet som inte ens existerar ännu.” 

Denna teknik förväntas leda till snabbare och mer effektiva MRAM-komponenter i framtiden. 

Den globala laserteknikmarknaden förväntas växa till 29,5 miljarder dollar innan årtiondet är slut, från den nuvarande värderingen på 20 miljarder dollar. Dessa siffror beror på laserns stora potential i olika branscher.

En laser är en optisk enhet som producerar en ljusstråle genom att stimulera emissionen av strålning. På grund av detta ljus unika egenskaper, såsom hög intensitet, koherens, monokromatiskhet och riktning, används lasrar i stor utsträckning inom medicin, kommunikation, vetenskap, militär och mer. Som ett resultat har många uppfinningar och experiment skett inom laserrymden.

Alldeles nyligen skapade forskare i Rumänien världens kraftfullaste laseremission, som är en tiondel av solens kraft och tas emot på jorden. Installerad vid ett center nära Bukarest, opererat av det franska företaget Thales, rapporteras lasern ha en utsignal på 10 petawatt (10 kvadriljoner watt). Toppen uppnåddes bara under en extremt kort period, cirka 25 femtosekunder, och över en bredd på bara tre mikrometer.

Forskarna hoppas att lasern kommer att leda till revolutionerande framsteg inom områden från hälsa till rymd. Denna uppfinning kan tillämpas för att behandla kärnavfall och rensa rymdskräp.

I en annan nylig forskning uppnådde RIKEN-fysiker mycket korta pulser av laserljus som hade en topp effekt på 6 biljoner watt. Detta är lika mycket som den effekt som produceras av 6 000 kärnkraftverk. Detta är för att hjälpa till att utveckla attosekundlasrar som kan möjliggöra studier av elektroner. 

Förra året tilldelades Anne L’Huillier, Pierre Agostini och Ferenc Krausz Nobelpriset i fysik för sin forskning om attosekundpulser (en kvintiljon delar av en sekund) av ljus.

Dessa ultra-korta laserpulser kan hjälpa till att belysa extremt snabba processer, vilket ger forskare en kraftfull metod för att fånga och undersöka dem. 

“Genom att göra det möjligt att fånga elektronernas rörelse har attosekundlasrar gjort en stor bidrag till grundforskning.”

– Eiji Takahashi från RIKEN Center for Advanced Photonics

De förväntas användas för att diagnostisera medicinska tillstånd, observera biologiska celler och utveckla nya material.

Klicka här för att lära dig hur lasrar kommer att spela en avgörande roll under de kommande decennierna.

Framtida potential för laserinducerad magnetism

Finansierad av en ERC Synergy Gran och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, noterade studien som gjorde icke-magnetiska material magnetiska vid rumstemperatur att i fysik, en materials kollektiva ordning är en av de mest grundläggande och fascinerande företeelserna och att dynamisk multiferroicitet har introducerats för att beskriva uppkomsten av magnetisering. 

“I enkla termer, den samstämmiga roterande rörelsen av jonerna i en kristall inducerar en magnetisk moment längs rotationsaxeln”, förklarade de. 

På grund av denna mekanism kunde teamet demonstrera magnetisering i det arkaiska paraelektriska perovskitet SrTiO3. Dessa resultat har redan reproducerats i flera andra laboratorier.

Men materialets magnetism upprätthölls bara under cirka en trilliondel av en sekund. Det har inte varit tillräckligt länge för att hitta dess tillämpning i datorminne.

Med det sagt är detta en bra startpunkt där forskare har äntligen kunnat förverkliga teorin. Detta har viktiga potentiella tekniska tillämpningar som kommer att förverkligas över tid med mer forskning.

Experimentets resultat, enligt forskningen, visar en ny väg för magnetismkontroll. Detta kan användas för extremt snabba magnetiska switchar, till exempel genom samstämmig kontroll av gittervibrationer med hjälp av ljus.

Dessutom, medan denna studie har börjat med strontiumtitanat, kan andra mer komplexa material undersökas i framtiden som kan vara i stånd att upprätthålla sin magnetism under längre perioder. Från och med nu är det enda sättet framåt med mer spännande upptäckter som kommer att öppna dörren till användning i datorer.

Som studiens författare Alexander Balatsky, professor i fysik vid NORDITA, sa: 

“Detta kan användas för snabbare informationsöverföring och betydligt bättre data lagring, och för datorer som är avsevärt snabbare och mer energieffektiva.”

Så, medan resultaten är lovande och kan leda till stora förbättringar i elektronik och datorer som baseras på magnetisering, behövs mer arbete.

Klicka här för att lära dig om den nuvarande tillståndet för kvantdatorer.