Ang Paggamit ng mga Laser upang Magnetahin ang mga Hindi-Magnetikong Substansya ay Maaaring Baguhin ang Modernong mga Kompyuter

Ang quantum computing ay may napakalaking potensyal. Maaari nitong ganap na baguhin ang mga industriya at baguhin ang paraan ng ating pag-unawa sa uniberso. Sa pamamagitan ng pagsasama ng mga prinsipyo ng quantum mechanics sa agham ng kompyuter, ang quantum computing ay nagpapahintulot na malutas nang madali ang mga komplikadong problema sa pamamagitan ng sabay-sabay na pagproseso ng napakalaking dami ng datos at pagsisiyasat ng maraming solusyon. 

Sa ganitong paraan, makakatulong ang mga quantum computer sa pagtuklas ng mga gamot, pagmomodelo ng klima, pagpapahusay ng kakayahan ng AI, at paglutas ng mga problema sa pag-optimize. Mayroon din silang potensyal sa cybersecurity sa pamamagitan ng pagbabasag ng umiiral na mga pamamaraan ng encryption at paglikha ng mga hindi matitinag na quantum encryption system.

Sa paglipas ng mga taon, nakamit natin ang makabuluhang pag-unlad sa quantum computing, kabilang ang quantum supremacy, mga error correction code, at mga cloud-based na quantum computer. Gayunpaman, ang pag-unlad na ito ay karamihan ay limitado sa napakalamig na temperatura ng mga laboratoryo, na maaaring magbago na.

Ngayon, ang mga mananaliksik sa Nordic Institute for Theoretical Physics (NORDITA), isang kolaborasyon ng limang bansang Nordiko, Stockholm University at Ca’ Foscari University of Venice, ay matagumpay na nagpakita ng quantum behavior sa temperatura ng silid sa pamamagitan ng paggamit ng laser light. Sa unang pagkakataon, nagawang gawing magnetiko ng laser light ang mga hindi-magnetikong materyales.

Napakahalaga nito dahil ang magnetismo ay may pangunahing papel sa kung paano gumagana ang isang kompyuter. Ang memorya ng kompyuter ay gumagamit ng maliliit na electromagnet na magnetisado ng boltahe upang paganahin ang binary na estado na “on” o “off.” Ang paraan ng pag-reaksyon ng mga atom at electron sa mga magnetic field ay nagpapahintulot sa mga elektronikong aparato na magbasa, magsulat, at manipulahin ang datos.

Sa bagong pag-aaral na ito, ipinakita ng mga mananaliksik kung paano ang paglalantad ng hindi-magnetikong materyal sa mataas na frequency na laser radiation ay maaaring lumikha ng magnetic effect sa temperatura ng silid.

Ang bagong breakthrough na ito ay may potensyal na magbukas ng daan para sa mas matipid sa enerhiya at mas mabilis na mga kompyuter, paglipat ng impormasyon, at pag-imbak ng datos. Ipinapakita nito ang kamangha-manghang pangako sa pag-rebolusyon ng elektronika, partikular na ang mga makinang ginawa gamit ang quantum technology, na karaniwang nag-ooperate sa mga temperatura na malapit sa absolute zero (-273 degrees Celsius).

Pagpapa-Magnetiko ng mga Hindi-Magnetikong Materyales

Sa pinakabagong pag-aaral, ginamit ng mga mananaliksik ang strontium titanate (SrTiO₃), isang oxide ng lubhang kemikal na reaktibong strontium (Sr) at magaan na titanium (Ti). Sa temperatura na naaangkop para sa tao, ito ay may perovskite na estruktura at kilala sa mataas nitong dielectric constant.

Ang materyal na ito ay sumailalim sa liwanag mula sa isang mataas na frequency na laser, na nagpagalaw at nagmobilisa ng mga atom. Ito ay nagbunsod ng mga kuryente sa loob ng strontium titanate, na nagiging magnetiko ito.

Tungkol sa pagiging bago ng kanilang pamamaraan, sinabi ng pangunahing may-akda ng pag-aaral na si Stefano Bonetti, isang physicist sa Stockholm University, at Ca’ Foscari, na ito ay:

“Sa konsepto ng pagpapahintulot sa liwanag na ilipat ang mga atom at electron sa materyal na ito sa paikot na galaw, upang lumikha ng mga kuryente na nagiging kasing magnetiko ng magnet ng refrigerator.”

Ang pagpapamagnetiko ng hindi-magnetikong materyal ay hindi bago. Ito ay naipredikta na dati at pinag-aralan.

Noong 2015, inilathala ng Nature ang pananaliksik na natuklasan na ang copper at manganese, dalawang karaniwang hindi-magnetikong metal, maaaring gawing magnet sa pamamagitan ng pagsasama ng manipis na pelikula ng mga metal na ito sa mga carbon-based na organic molecule. Bagaman nakuha ang mga resulta sa temperatura ng silid, ang magnetismo ay mahina at naglaho matapos ang ilang araw.

Ang eksperimentong ito ay batay sa teorya mula noong 1930s ni teoretikal na physicist na si Edmund Stoner mula sa University of Leed, na nagsuri kung ano ang nagpapahintulot sa isang elemento na maging magnetiko.

Sa 2020, isang pangkat ng mananaliksik ay nagawang baguhin ang mga hindi-magnetikong oxide material at gawing magnetiko sa pamamagitan ng kontroladong layer-by-layer na paglago ng bawat materyal. Sa parehong taon, isa pang pangkat ng mga mananaliksik ang gumamit ng kuryente upang i-on ang magnetismo sa hindi-magnetikong pyrite o iron sulfide. Ang teknikang ginamit sa pag-aaral na ito ay electrolyte gating, na kinabibilangan ng pagkakaroon ng pyrite na nakalapit sa isang electrolyte (ionic liquid) at pagkatapos ay pag-aaplay ng isang boltahe na naglipat ng mga positibong molekula at lumikha ng nasusukat na magnetic force. Sa kasong ito, ang pagpatay ng boltahe ay nagpatigil din sa magnetismo.

Ang paggamit ng liwanag upang baguhin ang mga katangian ng isang materyal ay nakakuha rin ng malaking pansin sa agham sa ilang panahon na ngayon.

Ang katotohanan ay, ang mga magnet at magnetic field ay karaniwang nabubuo ng paikot na kuryente. Noong 2019, nagliwanag ang mga physicist ng mga hindi-magnetikong metal na disk gamit ang linearly polarized na liwanag, na naglikha ng paikot na electric currents at nagkaroon ng magnetismo na kusang lumitaw sa disk. Sa prinsipyo, ang metodong ito ay maaaring gawing magnet ang mga non-ferrous na metal “on-demand” gamit ang laser light.

Paggamit ng Liwanag upang Paikutin ang mga Atom at Lumikha ng Kuryente

Ang magnetization na sanhi ng pag-ikot sa macroscopic na sukat ay kilala bilang Barnett effect. Sa ilalim ng effect na ito, ang isang materyal ay iniikot nang buo upang i-align ang likas na angular rotation ng mga electron ng magulong magnetic material upang lumikha ng net magnetic field sa loob nito.

Sa bagong eksperimento, ang pag-ikot sa atomic scale ay ginawa sa mga hindi-magnetikong materyal sa pamamagitan ng paggamit ng circularly polarized na laser pulses. Ang mga pulse ay nag-ikot sa mga atom sa materyal upang magbunga ng collective chiral phonons, na mga circularly polarized na pagyanig na resonant sa frequency ng laser.

Para dito, isang bagong light source ang binuo sa far-infrared (FIR), na circularly polarized, ibig sabihin ay may hugis na ‘corkscrew’. Kapag ang laser light na may ganitong uri ng polarization ay pumasok sa isang materyal, ang circular polarization ay naililipat sa mga atom nito sa pamamagitan ng pag-ikot sa kanila at paglikha ng atomic currents. Kung ang frequency ng liwanag ay tumutugma sa pagyanig ng atom, ang epekto ay pinalalakas, at bilang resulta, isang malaking magnetismo ang nalilikha.

Kaya, ang eksperimento na isinagawa ng internasyonal na grupo na pinamunuan ni Bonetti ay sumailalim sa quantum material na strontium titanate (SrTiO3) sa matindi ngunit maikling laser beams na may kakaibang wavelength at polarization upang magdulot ng magnetismo. Ang 800-nm, picosecond-long na mga pulse ay ibinato mula sa 100-µm far-infrared laser.

Partikular, sinukat ang Kerr rotation ng mga probe pulses. Gumamit din ang koponan ng iba’t ibang temperatura, mula 160 hanggang 360 Kelvin. Ipinakita nito na ang pinakamataas na tugon ay naabot 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 ito na inilathala sa Nature, binigyang-diin ng pangunahing may-akda na si Bonetti na ito ang unang pagkakataon na nagawang magdulot at makita kung paano talaga nagiging magnetiko ang materyal sa temperatura ng silid nang malinaw.

Ang pamamaraan na ito ay higit pang nagbigay-daan sa koponan na “gumawa ng mga magnetic material mula sa maraming insulator, kapag ang mga magnet ay karaniwang gawa sa mga metal,” dagdag pa niya.

Samantala, ang antas ng magnetization na nainduce sa pamamagitan ng laser technique ay sinukat gamit ang isang kilalang effect kung saan ang liwanag ay nagre-reflect mula sa isang materyal nang iba-iba depende sa magnetismo nito.

Sa kanilang eksperimento, ipinakita ng mga sukat na ang materyal ay naging magnetiko. Gayunpaman, ang magnitude ng induced magnetization base sa kilalang teoretikal na mga pamamaraan para kalkulahin ang dami na ito ay halos apat na order ng magnitude na mas malaki kaysa inaasahan. Ang pagkakaibang ito ay iniuugnay sa sobrang pagpapasimple na ginawa ng mga physicist sa kanilang mga kalkulasyon.

Isa pang pangkat ng mga mananaliksik ang gumamit ng circularly polarized infrared laser pulses upang pansamantalang magdulot ng magnetic effect sa isang hindi-magnetikong materyal.

Ang mga siyentipiko mula sa Radboud University, Netherlands, sa pakikipagtulungan sa Nihon University, Japan, ay ginawa ito, ngunit sa halip na karaniwang broadband pulses, gumamit sila ng napakaliit na band pulses mula sa FELIX free-electron lasers, na nagbigay-daan sa kanila na mas mahusay na targetin ang partikular na lattice vibrations sa resonance. Ginamit din nila ang nalikhang magnetization upang i-switch ang magnetization ng isang magnetic alloy.

Ayon sa mga mananaliksik na ito, ang phononic resonance ay maaaring magamit bilang isang bago at mabilis na paraan upang magsulat ng datos sa magnetic media. Ang pagbabago ng direksyon ng pag-ikot ng circularly polarized na liwanag ay nagbigay-daan din sa koponan na baguhin ang direksyon ng magnetization.

Ang Patuloy na Paggamit ng Liwanag ng Laser

Ang paggamit ng liwanag ng laser ay mabilis na lumalago. Sa linggong ito lamang, nakagawa ang mga siyentipiko ng bagong tuklas: Ang isang konsentradong laser beam ay maaaring baguhin ang magnetic state ng isang solidong materyal, na nagpapakita ng napakalaking potensyal sa ultrafast computing memory.

Para dito, naghanda ang mga siyentipiko ng bagong “elemental” na ekwasyon na naglalarawan ng ugnayan sa pagitan ng frequency at amplitude ng magnetic field ng liwanag at ng mga katangian ng energy absorption ng isang magnetic material. Ayon kay Amir Capua, isang physics professor sa Hebrew University of Jerusalem:

“Pinapayagan nito na muling isaalang-alang natin ang optical magnetic recording at maglayag patungo sa isang masiksik, matipid sa enerhiya, at cost-efficient na optical magnetic storage device na wala pa kahit kailan.” 

Inaasahan na ang teknolohiyang ito ay magdadala ng mas mabilis at mas epektibong mga MRAM component sa hinaharap. 

Ang laki ng pandaigdigang laser tech market ay inaasahang aabot sa $29.5 bilyon bago matapos ang dekada, tumaas mula sa kasalukuyang $20 bilyon na halaga. Ang mga numerong ito ay dahil sa malawak na potensyal ng laser sa iba’t ibang industriya.

Ang laser ay isang optical device na gumagawa ng beam ng liwanag sa pamamagitan ng pagpapasigla ng emission ng radiation. Dahil sa natatanging katangian ng liwanag na ito, tulad ng mataas na intensity, coherence, monochromaticity, at directionality, malawakang ginagamit ang mga laser sa medisina, komunikasyon, agham, militar, at iba pa. Bilang resulta, maraming imbensyon at eksperimento ang nangyayari sa larangan ng laser.

Kamakailan, ang mga siyentipiko sa Romania lumikha ng pinakamakapangyarihang laser emission sa mundo, na isang-sampung bahagi ng kapangyarihan ng araw na tumatama sa Earth. Nakalagay ito sa isang sentro malapit sa Bucharest, pinapatakbo ng French company na Thales, at iniulat na may output na 10 petawatts (10 quadrillion watts). Ang peak ay naabot lamang sa napakaikling panahon, mga 25 femtoseconds, at sa lapad na tatlong micrometers lamang.

Umaasa ang mga siyentipiko na ang laser ay magdadala ng rebolusyonaryong pag-unlad sa iba’t ibang sektor mula kalusugan hanggang kalawakan. Ang imbensyong ito ay maaaring magamit upang gamutin ang nuclear waste at linisin ang space debris.

Sa isa pang kamakailang pananaliksik, ang mga physicist ng RIKEN ay nagsagawa ng napakaikling pulse ng liwanag ng laser na may peak power na 6 trillion watts. Ito ay katumbas ng kapangyarihan ng 6,000 nuclear power plant. Ang tagumpay na ito ay makakatulong sa pag-develop ng attosecond lasers na maaaring mag-aral ng mga electron.

Noong nakaraang taon, sina Anne L’Huillier, Pierre Agostini, at Ferenc Krausz ay pinarangalan ng Nobel Prize sa Physics para sa kanilang pananaliksik sa attosecond (isang quintillion ng isang segundo) na mga pulse ng liwanag.

Ang mga ultra-short laser pulse na ito ay makakatulong na ilawan ang napakabilis na mga proseso, na nagbibigay sa mga siyentipiko ng makapangyarihang paraan upang mahuli at masuri ang mga ito. 

“Sa pamamagitan ng pagpapahintulot na mahuli ang galaw ng mga electron, ang attosecond lasers ay nagbigay ng malaking kontribusyon sa basic science.”

– Eiji Takahashi ng RIKEN Center for Advanced Photonics

Inaasahan na gagamitin ang mga ito upang mag-diagnose ng mga medikal na kondisyon, obserbahan ang mga biological cell, at mag-develop ng mga bagong materyales.

I-click dito upang malaman kung paano maglalaro ang mga laser ng mahalagang papel sa mga darating na dekada.

Hinaharap na Potensyal ng Laser-Induced Magnetism

Financed ng ERC Synergy Gran at ng Knut and Alice Wallenberg Foundation, ang pag-aaral na nagpalit ng hindi-magnetikong materyales sa magnetiko sa temperatura ng silid ay nagbanggit na sa physics, ang kolektibong kaayusan ng isang bagay ay isa sa pinaka-pangunahing at kamangha-manghang pangyayari at na ang dynamical multiferroicity ay ipinakilala upang ilarawan ang pag-usbong ng magnetization.

“Sa simpleng salita, ang coherent rotating motion ng mga ion sa isang kristal ay nagdudulot ng magnetic moment sa kahabaan ng axis ng pag-ikot,” ito ay sinabi.

Dahil sa mekanismong ito, nagawang ipakita ng koponan ang magnetization sa archetypal na paraelectric perovskite na SrTiO3. Ang mga resulta ay naulit na sa ilang iba pang laboratoryo.

Gayunpaman, ang magnetismo ng materyal ay nanatili lamang ng halos isang trillionth ng segundo. Hindi pa ito sapat na haba upang magamit sa memorya ng kompyuter.

Sa kabila nito, ito ay isang mahusay na panimulang punto kung saan ang mga siyentipiko ay sa wakas ay nagawang dalhin ang teorya sa praktikalidad. Ito ay tiyak na may mahalagang potensyal na teknolohikal na aplikasyon na maisasakatuparan sa paglipas ng panahon sa pamamagitan ng karagdagang pananaliksik.

Ang mga natuklasan ng eksperimento, ayon sa pananaliksik, ay nagpapakita ng bagong landas para sa kontrol ng magnetismo. Ito ay maaaring magamit para sa napakabilis na magnetic switches, halimbawa, sa pamamagitan ng coherent control ng lattice vibrations gamit ang liwanag.

Bukod pa rito, habang ang pag-aaral na ito ay nagsimula sa strontium titanate, maaaring tuklasin sa hinaharap ang iba pang mas kumplikadong materyales na maaaring mapanatili ang kanilang magnetismo nang mas matagal. Mula dito, ang tanging daan ay pasulong sa mas maraming kapanapanabik na tuklas na magbubukas ng pintuan para sa paggamit sa mga computing device.

Ayon kay Alexander Balatsky, propesor ng physics sa NORDITA, sinabi niya:

“Ito ay maaaring magamit para sa mas mabilis na paglipat ng impormasyon at mas mahusay na pag-imbak ng datos, at para sa mga kompyuter na mas mabilis at mas matipid sa enerhiya.”

Kaya, habang ang mga resulta ay maganda ang pangako at maaaring magdala ng malalaking pag-unlad sa elektronika at computing na nakabatay sa magnetization, kailangan pa ng karagdagang trabaho.

I-click dito upang malaman ang kasalukuyang kalagayan ng quantum computing.