Att använda laser för att magnetisera icke-magnetiska ämnen kan förändra moderna datorer

Kvantberäkning har enorm potential. Det kan helt förändra industrier och förändra hur vi förstår universum. Genom att kombinera principerna för kvantmekanik med datavetenskap möjliggör kvantberäkning att komplexa problem löses enkelt genom att bearbeta enorma mängder data parallellt och utforska flera lösningar. 

På så 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 obrytbara kvantkrypteringssystem.

Under åren har vi gjort betydande framsteg inom kvantberäkning, inklusive kvantsuveränitet, felkorrigeringskoder och molnbaserade kvantdatorer. Denna utveckling har dock till stor del varit begränsad till de extremt kalla temperaturerna i laboratorier, vilket kan vara på väg att förändras. 

Nu har forskare vid Nordiska institutet för teoretisk fysik (NORDITA), ett samarbete mellan de fem nordiska länderna, Stockholms universitet och Ca’ Foscari-universitetet i Venedig, har framgångsrikt demonstrerat kvantbeteende vid rumstemperatur genom att använda laserljus. För första gången kunde laserljus göra icke-magnetiska material magnetiska.

Det är av största vikt eftersom magnetism spelar en nyckelroll i hur en dator fungerar. Datorns minne använder små elektromagneter som magnetiseras med spänning för att möjliggöra de binära tillstånden “på” eller “av”. Hur atomer och elektroner reagerar på magnetfält gör att elektroniska enheter kan läsa, skriva och manipulera data.

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

Det nya genombrottet har potential att bana väg för mer energieffektiva och snabbare datorer, informationsöverföring och datalagring. Det visar otrolig potential att revolutionera elektronik, särskilt de maskiner som byggs med kvantteknik, vilka vanligtvis fungerar vid temperaturer nära den absoluta nollpunkten (-273 grader Celsius).

Göra icke-magnetiska material magnetiska

I den senaste studien använde forskarna strontiumtitanat (SrTiO₃), en oxid av den mycket kemiskt reaktiva strontium (Sr) och den lätta titanet (Ti). Vid temperaturer som är beboeliga för människor har den en perovskitstruktur och är känd för sin höga dielektriska konstant.

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

När de talade om nyheten i deras metod sade studiens huvudförfattare Stefano Bonetti, en fysiker vid Stockholms universitet och Ca’ Foscari, att det var:

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

Att göra icke-magnetiskt material magnetiskt är dock inget nytt. Det har tidigare förutsagts och undersökts. 

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

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

År 2020 kunde ett forskarteam också modifiera icke-magnetiska oxidmaterial och göra dem magnetiska genom kontrollerad lager-för-lager-tillväxt av varje material. Samma år använde ett annat forskarlag elektricitet för att slå på magnetism i den icke-magnetiska pyriten eller järnsulfiden. tekniken som användes i denna studie var elektrolytstyrning, vilket 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 stängde av spänningen av magnetismen också.

Att använda ljus för att förändra ett materials egenskaper har också fått betydande vetenskaplig uppmärksamhet under en tid nu. 

Saken är att magneter och det magnetiska fältet vanligtvis genereras av cirkulerande strömmar. År 2019 belyste fysiker icke-magnetiska metallskivor med linjärt polariserat ljus, cirkulerande elektriska strömmar och fick magnetismen att spontant uppstå i skivan. I princip, denna metod kan omvandla icke-järnmetaller till magneter ”on-demand” med laserljus.

Att använda ljus för att rotera atomer & generera ström

Magnetisering som orsakas av rotation på makroskopisk skala är känd som Barnett-effekten. Under denna effekt roteras ett material helt för att justera de inneboende vinkelrotationerna hos oordnade magnetiska materialets elektroner för att generera ett nettomagnetiskt fält inuti det.

I det nya experimentet gjordes rotation på atomskala i icke-magnetiska material genom att förlita sig på cirkulärt polariserade laserpulser. Pulserna roterade atomerna i materialet för att producera kollektiva chirala fononer, vilka är cirkulärt polariserade vibrationer som är resonanta med laserfrekvensen.

För detta utvecklades en ny ljuskälla i fjärrinfraröda (FIR), som är cirkulärt polariserad, vilket betyder att den har en ‘korkskruv’-form. När laserljus med denna typ av polarisation tränger in i ett material överförs den cirkulära polarisationen till dess atomer genom att rotera dem och producera atomära strömmar. Om ljusets frekvens matchar atomens vibration förstärks effekten, och som ett resultat produceras en ganska stor magnetism.

Så, experimentet som utfördes av den internationella gruppen ledd av Bonetti utsatte sedan det kvantmaterialet strontiumtitanat (SrTiO3) för intensiva men korta laserstrålar med en speciell våglängd och polarisation för att inducera magnetism. De 800‑nm, picosekundslånga pulserna sköts från en 100‑µm fjärrinfraröd laser.

Specifikt mättes Kerr-rotationen av probepulserna. Teamet använde också olika temperaturer, från 160 till 360 Kelvin. Detta visade att den högsta responsen uppnåddes vid 280 K (7 °C). Vid denna punkt var pulsernas terahertz-elektriska fält resonant med materialets första optiska fononläge.

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

Denna metod gjorde det dessutom möjligt för teamet “att skapa magnetiska material av många isolatorer, när magneter vanligtvis tillverkas av metaller,” tillade han.

Under tiden mättes graden av magnetisering som inducerades via lasertekniken med hjälp av en etablerad effekt där ljus reflekteras från ett material på olika sätt beroende på dess magnetism.

I deras experiment visade mätningarna att materialet hade blivit magnetiskt. Dock var storleken på den inducerade magnetiseringen, baserad på kända teoretiska metoder för att beräkna denna kvantitet, ungefär fyra storleksordningar större än förväntat. Denna skillnad tillskrevs förenklingar som fysikerna gjort i sina beräkningar.

En annan forskargrupp 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, vilket gjorde det möjligt att bättre rikta in specifika gittervibrationer vid resonans. De använde sedan den skapade magnetiseringen för att växla ett magnetiskt legerings magnetisering.

Enligt dessa forskare kan fononresonans användas som ett nytt och snabbt sätt att skriva data till magnetiska medier. Att ändra den cirkulärt polariserade ljusets rotationsriktning gjorde också att teamet kunde ändra magnetiseringens riktning.

Den växande användningen av laserljus

Användningen av laserljus växer snabbt. Redan den här veckan, gjorde forskare ett nytt upptäckt: En koncentrerad laserstråle kan förändra ett fast materialets magnetiska tillstånd, vilket visar enorm potential i ultrarapid minnesberäkning.

För detta förberedde forskarna en ny “elementär” ekvation som beskriver sambandet mellan frekvens och amplitud av ljusets magnetfält och energibörande egenskaper hos ett magnetiskt material. Enligt Amir Capua, en fysikprofessor vid Hebreiska universitetet i Jerusalem:

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

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

Den globala marknaden för laserteknik är faktiskt förutspådd att växa till 29,5 miljarder dollar innan årtiondet är över, upp från den nuvarande värderingen på 20 miljarder dollar. Dessa siffror beror på laserens stora potential i olika industrier.

En laser är en optisk enhet som producerar en ljusstråle genom att stimulera utsläpp av strålning. På grund av detta ljus unika egenskaper, såsom hög intensitet, koherens, monokromatisitet och riktning, används laser brett inom medicin, kommunikation, vetenskap, militären och mer. Som ett resultat har många uppfinningar och experiment ägt rum inom laserområdet.

Senast har forskare i Rumänien skapat världens mest kraftfulla laseremission, som är en tiondel av den kraft solen avger och som når jorden. Installerad vid ett centrum nära Bukarest, drivs den av det franska företaget Thales, och lasern rapporteras ha en uteffekt på 10 petawatt (10 kvadriljoner watt). Toppen uppnåddes endast under en extremt kort period, cirka 25 femtosekunder, och över en bredd på bara tre mikrometer.

Forskarnas förhoppning är att lasern kommer att leda till revolutionerande framsteg inom sektorer från hälsa till rymden. Denna uppfinning kan tillämpas för att behandla kärnavfall och rensa rymdskrot.

I en annan nylig forskning, RIKEN-fysiker realiserade mycket korta pulser av laserljus som hade en toppeffekt på 6 biljoner watt. Detta motsvarar den kraft som produceras av 6 000 kärnkraftverk. Denna prestation syftar 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 deras forskning om attosekund (en kvintiljon av en sekund) pulser av ljus.

Dessa ultrakorta laserpulser kan hjälpa till att belysa extremt snabba processer, vilket ger forskare ett kraftfullt sätt att fånga och undersöka dem. 

“Genom att göra det möjligt att fånga elektroners rörelse har attosekundlasrar gjort ett stort 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 laser kommer att spela en avgörande roll under de kommande årtiondena.

Framtida potential för laserinducerad magnetism

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

“I enkla termer inducerar den koherenta roterande rörelsen av jonerna i en kristall ett magnetiskt moment längs rotationsaxeln,” stod det. 

På grund av denna mekanism kunde teamet demonstrera magnetisering i den arketypiska paraelektriska perovskiten SrTiO3. Dessa resultat har redan reproducerats i flera andra laboratorier.

Dock upprätthölls materialets magnetism endast i ungefär en biljon del av en sekund. Det har inte varit tillräckligt länge för att hitta sin tillämpning i datorminne.

Det sagt är detta en bra utgångspunkt där forskare äntligen har kunnat föra teorin till praktiken. Detta har utan tvekan viktiga potentiella teknologiska tillämpningar som kommer att förverkligas med tiden genom mer forskning.

Experimentets resultat, enligt forskningen, visar en ny väg för kontroll av magnetism. Detta kan utnyttjas för extremt snabba magnetiska omkopplare, till exempel genom koherent kontroll av gittervibrationer med hjälp av ljus.

Dessutom, medan denna studie har börjat med strontiumtitanat, kan andra mer komplexa material utforskas i framtiden som kan upprätthålla sin magnetism under längre tidsperioder. Härifrån är den enda vägen framåt med fler spännande upptäckter som kommer att öppna dörren för användning i datorenheter.

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

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

Så, även om resultaten är lovande och kan leda till stora förbättringar inom elektronik och beräkning som baseras på magnetisering, behövs ytterligare arbete.

Klicka här för att lära dig om det aktuella tillståndet för kvantberäkning.