Computing
Gamit ang Lasers na Magnetisa ang mga Di-Magnetikong Substansya ay Maaaring Baguhin ang Modernong Kompyuter
Ang quantum computing ay may malaking potensyal. Ito ay maaaring ganap na baguhin ang mga industriya at magbago ng paraan ng pag-unawa natin sa sansinukob. Sa pamamagitan ng pagsasama ng mga prinsipyo ng quantum mechanics at agham ng kompyuter, ang quantum computing ay nagpapahintulot ng mga kompleks na problema na malulutas nang madali sa pamamagitan ng pagproseso ng malalaking halaga ng data sa parallel at paggalugad ng maraming solusyon.
Sa ganitong paraan, ang mga quantum computer ay maaaring tumulong sa pagtuklas ng mga gamot, pagmomodelo ng klima, pagpapabuti ng mga kakayahan ng AI, at paglulutas ng mga problema sa optimisasyon. Mayroon din itong potensyal sa cybersecurity sa pamamagitan ng pagbabali ng mga umiiral na mga pamamaraan ng encryption at paglikha ng mga di-maaring basagin na mga sistemang quantum encryption.
Sa loob ng maraming taon, nakagawa kami ng malalaking pag-unlad sa quantum computing, kabilang ang quantum supremacy, mga code ng pagkukwenta ng error, at mga kompyuter na quantum na nasa cloud. Gayunpaman, ang pag-unlad na ito ay halos limitado sa mga labatoryo na may napakalaming temperatura, na maaaring magbago na.
Ngayon, ang mga mananaliksik sa Nordic Institute for Theoretical Physics (NORDITA), isang pakikipagtulungan sa pagitan ng limang mga bansang Nordiko, Stockholm University at Ca’ Foscari University of Venice, ay matagumpay na napatunayan ang quantum behavior sa temperatura ng silid sa pamamagitan ng paggamit ng laser light. Sa unang pagkakataon, ang laser light ay nakagawa ng isang di-magnetikong materyal na magnetiko.
Ito ay napakamahalaga dahil ang magnetismo ay may malaking papel sa pagganap ng isang kompyuter. Ang memorya ng kompyuter ay gumagamit ng maliliit na mga electromagnet na na-magnetisa sa pamamagitan ng voltaheng upang mapahintulutan ang mga binaryong estado ng “on” o “off”. Ang paraan ng pag-uugali ng mga atom at electron sa mga magnetic field ay nagpapahintulot sa mga electronic device na mabasa, magsulat, at mag-manipula ng data.
Sa bagong pag-aaral na ito, ipinakita ng mga mananaliksik kung paano ang paghahain ng isang di-magnetikong materyal sa mataas na frequency ng laser radiation ay maaaring mag-produce ng isang magnetic effect sa temperatura ng silid.
Ang bagong pagtuklas na ito ay may potensyal na magbukas ng daan para sa mga kompyuter na mas mabilis at mas energy-efficient, pati na rin sa mga mas mabilis na paglipat ng impormasyon at pag-iimbak ng data. Ito ay nagpapakita ng kahanga-hangang pangako sa pagbabago ng mga elektronik, lalo na sa mga makina na ginawa sa pamamagitan ng quantum technology, na karaniwang umo-operate sa mga temperatura na malapit sa absolute zero (-273 degrees Celsius).
Pagbabago ng mga Di-Magnetikong Materyal na Magnetiko
Sa pinakabagong pag-aaral, ang mga mananaliksik ay gumamit ng strontium titanate (SrTiO₃), isang oxide ng mataas na kemikal na reaktibong strontium (Sr) at lightweight titanium (Ti). Sa temperatura ng tao, ito ay may perovskite structure at kilala sa mataas na dielectric constant.
Ang materyal na ito ay pinainit sa ilaw mula sa isang mataas na frequency ng laser, na nagpalipat-lipat ng mga atom at nagpalipat-lipat ng mga ito. Ito ay nag-produce ng mga electric current sa loob ng strontium titanate, na ginawa itong magnetiko.
Sa pag-uusap tungkol sa bagong paraan ng kanilang pamamaraan, ang lead author ng pag-aaral na si Stefano Bonetti, isang physicist sa Stockholm University at Ca’ Foscari, ay nagsabi:
“Sa konsepto ng pagpapalipat-lipat ng ilaw upang galawin ang mga atom at electron sa materyal na ito sa isang circular motion, upang makagawa ng mga current na nagpapagawa nito na magnetiko tulad ng isang refrigerator magnet.”
Ang pagbabago ng mga di-magnetikong materyal na magnetiko ay hindi bagong bagay. Ito ay naipakita na noon at naaaral.
Noong 2015, ang Nature ay naglathala ng isang pag-aaral na nakita na ang copper at manganese, dalawang karaniwang di-magnetikong metal, ay maaaring gawing magnet sa pamamagitan ng pagsasama ng mga thin film ng mga metal na may mga organic molecule na gawa sa carbon. Bagaman ang mga resulta ay nakamit sa temperatura ng silid, ang magnetismo ay mahina at nawala pagkatapos ng ilang araw.
Ang eksperimentong ito ay base sa isang teorya noong 1930 ng theoretical physicist na si Edmund Stoner mula sa University of Leeds, na nag-aral kung ano ang nagpapahintulot sa isang elemento na maging magnetiko.
Noong 2020, isang pangkat ng mananaliksik ay nakagawa ng pagbabago ng mga di-magnetikong oxide materyal at ginawa silang magnetiko sa pamamagitan ng kontroladong layer-by-layer growth ng bawat materyal. Sa parehong taon, isang pangkat ng mga mananaliksik ay gumamit ng kuryente upang buksan ang magnetismo sa di-magnetikong pyrite o iron sulfide. Ang teknik na ginamit sa pag-aaral na ito ay electrolyte gating, na kinabibilangan ng pagkakaroon ng pyrite sa kontaktong electrolyte (ionic liquid) at pag-aplay ng isang volt ng kuryente na nagpalipat-lipat ng mga positibong charged molecule at lumikha ng isang makikitang magnetic force. Sa kaso ito, ang pagpatay ng volt ay nagpatay din ng magnetismo.
Ang paggamit ng ilaw upang baguhin ang mga katangian ng isang materyal ay nakakuha ng malaking pagpapansin sa agham.
Ang bagay ay, ang mga magnet at ang magnetic field ay karaniwang ginagawa ng mga circulating current. Noong 2019, ang mga physicist ay nag-ilaw ng mga di-magnetikong metallic disk sa linearly polarized light, na nagpalipat-lipat ng mga electric current at nagkaroon ng magnetismo na lumitaw spontaneously sa disk. Sa prinsipyo, ang pamamaraan na ito ay maaaring gawing magnetiko ang mga di-ferrous metal “on-demand” sa pamamagitan ng laser light.
Paggamit ng Ilaw upang Galawin ang mga Atom at Lumikha ng Current
Ang magnetization na sanhi ng rotation sa isang makroskopikong sukat ay kilala bilang ang Barnett effect. Sa ilalim ng epekto na ito, isang materyal ay pinapalipat-lipat ng buong upang alin ang mga likas na angular rotation ng mga disarranged magnetic material’s electrons upang lumikha ng isang net magnetic field sa loob nito.
Sa bagong eksperimento, ang rotation sa atomic scale ay ginawa sa mga di-magnetikong materyal sa pamamagitan ng paggamit ng circularly polarized laser pulses. Ang mga pulse ay nagpalipat-lipat ng mga atom sa materyal upang makagawa ng mga kolektibong chiral phonon, na mga circularly polarized vibration na resonant sa frequency ng laser.
Para dito, isang bagong light source ay binuo sa far-infrared (FIR), na circularly polarized, na may “corkscrew” shape. Kapag ang laser light na may ganitong polarization ay pumapasok sa isang materyal, ang circular polarization ay ipinapalipat-lipat sa mga atom nito sa pamamagitan ng paggalaw at paggawa ng mga atomic current. Kung ang frequency ng ilaw ay tumutugma sa frequency ng vibration ng atom, ang epekto ay pinapalakas, at bilang resulta, isang malaking magnetismo ay lumikha.
Kaya, ang eksperimento na isinagawa ng international group na pinamumunuan ni Bonetti ay pinainit ang quantum material na strontium titanate (SrTiO3) sa intense ngunit maikling laser beam ng isang peculiar wavelength at polarization upang induksyon ang magnetismo. Ang 800-nm, picosecond-long pulses ay pinaputok mula sa isang 100-µm far-infrared laser.
Sa partikular, ang Kerr rotation ng mga probe pulse ay sinukat. Ang team ay gumamit ng iba’t ibang temperatura, mula 160 hanggang 360 Kelvin. Ito ay nagpakita na ang pinakamataas na response ay nakamit sa 280 K (7°C). Sa puntong ito, ang terahertz electric field ng mga pulse ay resonant sa unang optical phonon mode ng materyal.
Sa pinakabagong pag-aaral na inilathala sa Nature, ang lead author na si Bonetti ay nagpahayag na ito ay ang unang pagkakataon na nakita nila kung paano ang materyal ay naging magnetiko sa temperatura ng silid.
Ang approach na ito ay nagpahintulot sa team “na gumawa ng mga magnetikong materyal mula sa maraming insulator, kung saan ang mga magnet ay karaniwang gawa sa metal,” ayon sa kanya.
Samantala, ang degree ng magnetization na na-induce sa pamamagitan ng laser technique ay sinukat sa pamamagitan ng isang estableng epekto kung saan ang ilaw ay sumasalamin nang iba sa isang materyal depende sa magnetismo nito.
Sa kanilang eksperimento, ang mga pagsukat ay nagpakita na ang materyal ay naging magnetiko. Gayunpaman, ang magnitude ng induced magnetization ay base sa mga kilalang teoretikal na pamamaraan para sa pagkalkula ng quantity ay mga apat na order ng magnitude na mas malaki kaysa sa inaasahan. Ang pagkakaiba ay iniugnay sa mga oversimplification na ginawa ng mga physicist sa kanilang mga pagkalkula.
Isang pangkat ng mga mananaliksik ay gumamit ng circularly polarized infrared laser pulses upang pansamantalang induksyon ang isang magnetic effect sa isang di-magnetikong materyal.
Ang mga scientist mula sa Radboud University, Netherlands, sa pakikipagtulungan sa Nihon University, Japan, ay gumawa nito, ngunit sa halip ng mga konventional na broadband pulses, ay gumamit ng mga very narrow-band pulses mula sa FELIX free-electron lasers, na nagpahintulot sa kanila na mas mabuting targetin ang mga partikular na lattice vibrations sa resonance. Ginamit din nila ang nilikhang magnetization upang mapalitan ang magnetization ng isang magnetic alloy.
Ayon sa mga mananaliksik na ito, ang phononic resonance ay maaaring gamitin bilang isang bagong at mabilis na paraan upang sulat ang data sa magnetic media. Ang pagbabago ng direksyon ng circularly polarized light ay nagpahintulot sa team na baguhin ang direksyon ng magnetization.
Ang Paglago ng Paggamit ng Laser Light
Ang paggamit ng laser light ay lumalago ng mabilis. Sa linggong ito, ang mga scientist ay nakagawa ng isang bagong pagtuklas: Ang isang konsentrado na laser beam ay maaaring baguhin ang magnetic state ng isang solido na materyal, na may malaking potensyal sa ultrafast computing memory.
Para dito, ang mga scientist ay gumawa ng isang bagong “elemental” equation na naglalarawan sa ugnayan sa pagitan ng frequency at amplitude ng magnetic field ng ilaw at ang mga katangian ng pagkakalap ng enerhiya ng isang magnetic material.
Ayon kay Amir Capua, isang physics professor sa Hebrew University of Jerusalem:
“Ito ay nagpapahintulot sa atin na ganap na muling isipin ang optical magnetic recording at mag-navigate sa ating paraan patungo sa isang dense, energy-efficient, at cost-efficient na optical magnetic storage device na hindi pa umiiral.”
Ang teknolohiyang ito ay inaasahang magdudulot ng mga mas mabilis at mas efficient na MRAM components sa hinaharap.
Ang global laser tech market size ay inangkat na lumago sa $29.5 bilyon bago ang dekada ay magtapos, mula sa kasalukuyang $20 bilyon na valuation. Ang mga numero ay dahil sa malawak na potensyal ng laser sa iba’t ibang industriya.
Ang isang laser ay isang optical device na nagpapalabas ng isang beam ng ilaw sa pamamagitan ng pag-stimulate ng emission ng radiation. Dahil sa mga katangian ng ilaw na ito, tulad ng mataas na intensity, coherence, monochromaticity, at directionality, ang mga laser ay malawak na ginagamit sa medisina, komunikasyon, agham, militar, at marami pa. Bilang resulta, maraming imbensyon at eksperimento ang nangyayari sa laser space.
Sa pinakabagong pagtuklas, ang mga scientist sa Romania ay gumawa ng pinakamalakas na laser emission, na isang sampung parte ng power na inilabas ng araw at natatanggap sa Earth. Na-install sa isang sentro malapit sa Bucharest, na pinapatakbo ng kompanyang Pranses na Thales, ang laser ay may output ng 10 petawatts (10 quadrillion watts). Ang peak ay naabot lamang sa isang napakaliit na panahon, tungkol sa 25 femtoseconds, at sa isang lapad na tatlo lamang ang micrometers.
Ang mga scientist ay umaasa na ang laser ay magdudulot ng rebolusyonaryong pag-unlad sa iba’t ibang sektor, mula sa kalusugan hanggang sa kalawakan. Ang imbensyon na ito ay maaaring gamitin upang gamutin ang mga radioactive na basura at linisin ang mga space debris.
Sa isang bagong pag-aaral, ang mga physicist mula sa RIKEN ay nakagawa ng mga very short pulses ng laser light na may peak power ng 6 trillion watts. Ito ay katumbas ng power na ginagawa ng 6,000 nuclear power plant. Ang pagkilos na ito ay makatutulong sa pagbuo ng attosecond lasers na maaaring pag-aralan ang mga electron.
Noong nakaraang taon, si Anne L’Huillier, Pierre Agostini, at Ferenc Krausz ay nagwagi ng Nobel Prize sa Physics para sa kanilang pag-aaral sa attosecond (isang quintillion ng isang segundo) pulses ng ilaw.
Ang mga ultra-short laser pulses na ito ay makatutulong sa pagliwanag ng mga napakabilis na proseso, na nagbibigay sa mga scientist ng isang makapangyarihang paraan upang makita at pag-aralan ang mga ito.
“Sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa atin na makita ang galaw ng mga electron, ang mga attosecond laser ay nagbigay ng isang malaking kontribusyon sa basic science.”
– Eiji Takahashi ng RIKEN Center for Advanced Photonics
Inaasahang gagamitin ang mga ito upang pag-aralan ang mga kondisyon sa kalusugan, obserbahan ang mga biological cell, at bumuo ng mga bagong materyal.
Ang Hinaharap na Potensyal ng Laser-Induced Magnetism
Pinondohan ng isang ERC Synergy Gran at ng Knut and Alice Wallenberg Foundation, ang pag-aaral na nagbabago ng mga di-magnetikong materyal na magnetiko sa temperatura ng silid ay nagpahayag na sa physics, ang collective order ng isang materyal ay isa sa mga pinakabasic at nakaka-curious na pangyayari at na ipinakilala ang dynamical multiferroicity upang ilarawan ang paglitaw ng magnetization.
“Sa simpleng mga salita, ang coherent rotating motion ng mga ion sa isang crystal induces a magnetic moment along the axis of rotation,” ito ay nagsabi.
Dahil sa mekanismong ito, ang team ay nakagawa ng magnetization sa archetypal paraelectric perovskite SrTiO3. Ang mga resulta ay na-reproduce na sa maraming iba pang laboratoryo.
Gayunpaman, ang magnetismo ng materyal ay pinanatili lamang sa loob ng isang trillionth ng isang segundo. Ito ay hindi sapat na mahaba upang magamit sa memorya ng kompyuter.
Subalit ito ay isang mahusay na simula kung saan ang mga scientist ay nakagawa ng teorya na praktikal. Ito ay may mahalagang potensyal na teknolohikal na aplikasyon na maaaring maganap sa paglipas ng panahon sa pamamagitan ng karagdagang pag-aaral.
Ang mga paghahanap ng eksperimento, ayon sa pag-aaral, ay nagbukas ng isang bagong landas para sa kontrol ng magnetismo. Ito ay maaaring gamitin para sa mga napakabilis na magnetic switch, sa pamamagitan ng coherent control ng lattice vibrations gamit ang ilaw.
Bukod dito, habang ang pag-aaral na ito ay nagsimula sa strontium titanate, ang iba pang mas komplikadong materyal ay maaaring galugarin sa hinaharap na maaaring magpanatili ng kanilang magnetismo sa mas mahabang panahon. Mula dito, ang tanging paraan ay pataas na may mas nakaka-excite na paghahanap na magbubukas ng pinto sa paggamit sa mga device ng kompyuter.
Ayon sa study author na si Alexander Balatsky, propesor ng physics sa NORDITA:
“Ito ay maaaring gamitin para sa mas mabilis na paglipat ng impormasyon at mas mahusay na pag-iimbak ng data, at para sa mga kompyuter na mas mabilis at mas energy-efficient.”
Kaya, habang ang mga resulta ay nakaka-encourage at maaaring magdulot ng malalaking pagbuti sa mga elektronik at kompyuter na base sa magnetismo, karagdagang pag-aaral ay kinakailangan.
I-click dito upang malaman ang kasalukuyang estado ng quantum computing.
