Ultrakort laserpulsmanipulasjon av solide magnetiske tilstander redefinerer forståelsen av optomagnetisk dynamikk

Nylig har en nylig studie demonstrert et hittil uoppdaget forhold mellom lys og magnetisme, en oppdagelse som vil gi en effektiv vei for den fremtidige fødselen av ultrarask lyskontrollert lagringsteknologi og kreativ optomagnetisk sensorteknologi, som potensielt revolusjonerer måten i hvilke enheter som produseres og hvordan data lagres på tvers av flere sektorer.

Studien kommer fra forskerteamet til Amir Kapua, professor og direktør for Spintronics Laboratory ved Institute of Applied Physics and Electrical Engineering ved det hebraiske universitetet i Jerusalem. Studien avslører prosessen der en laserstråle manipulerer den magnetiske tilstanden til et fast stoff, og signaliserer et paradigmeskifte i menneskelig forståelse av samspillet mellom lys og magnetiske materialer.
(Paradigmeskifte: er en dyp endring som innebærer et grunnleggende skifte i tankemønstre, verdier og måter å vite på. I likhet med en endring i teoretiske rammer eller teoretiske systemer i vitenskap, innebærer et paradigmeskifte en ny undersøkelse av hvordan ting blir forstått og en fornyelse av hvordan de beskrives. Det krever at vi fundamentalt revurderer eksisterende konsepter, teorier og praksiser, som igjen fremmer feltet som helhet.)
En verden der lys og magnetisme danser sammen
Som vi alle vet, ser lys og magnetisme ut til å være to vidt forskjellige fysiske fenomener, men de er faktisk nært forbundet. Lys, den usynlige energikilden, kan umiddelbart reise tusenvis av miles; og magnetisme, det mystiske kraftfeltet, kan lede objekter til å bevege seg på en retningsbestemt måte. Samspillet mellom dem er som det stilltiende samarbeidet mellom dansere, stille, men full av kraft.
Lys, med sin bølge-partikkel-dualitet, kan bevege seg med lysets hastighet og overføre energi. Magnetisme, på den annen side, er kraftfeltet som genereres når elektroner roterer rundt kjernen til et atom. Men når lys møter magnetisme, skjer det noe fantastisk. Lys er i stand til å utløse en magnetisk reaksjon, og magnetisme kan påvirke forplantningen av lys. Det er som om det er et usynlig bånd mellom dem, som påvirker og samhandler med hverandre.
Denne interaksjonen er enda mer bemerkelsesverdig i den mikroskopiske verden. Når et foton møter en magnet, er det en merkelig resonans mellom de to. Denne resonansen er ikke en enkel utveksling av energi, men et dypere nivå av gjensidig penetrering og integrasjon. Sammen bygger de et komplekst og organisert elektromagnetisk felt som gjør at alt i universet kan kobles sammen.
Denne forbindelsen, som ikke bare eksisterer i mikrokosmos, strekker seg også til makrokosmos. I våre liv brukes lys og magnetisme overalt. Fra kompass til mobiltelefoner, fra TV-er til datamaskiner, er samspillet mellom lys og magnetisme uunnværlig bak. De lar informasjon overføres og verden fungere.
Evnen til raskt oscillerende lysbølger til å manipulere magneter
Redefinering av grunnleggende fysiske interaksjoner
Uventet omdefinerer denne nye forskningen forståelsen av lys-magnet-interaksjon og representerer et stort sprang fremover i menneskelig forståelse av fotomagnetisk dynamikk.
Lagets oppdagelse avslører en ny teori: evnen til den magnetiske komponenten i raskt oscillerende lysbølger til å manipulere magneter omdefinerer grunnleggende fysiske interaksjoner som lenge har blitt oversett fordi magneter reagerer langsommere enn lysstråling. Tidligere, da magnetiske materialer og optisk stråling var i perfekt likevekt, ble eksistensen av en interaksjon mellom de to bekreftet. Men til nå har forholdet mellom lysstråling og ikke-likevektsmagnetiske materialer bare blitt beskrevet veldig kort.
Det er underforstått at forskerteamet hevder at det er en enkel matematisk sammenheng mellom amplitude, frekvens og energiabsorpsjon av magnetiske materialer som beskriver styrken til interaksjonen. Denne erkjennelsen oppnås ved å bruke prinsipper som er godt etablert i kvanteberegnings- og kvanteoptikkmiljøene, men ikke i spintronikk- og magnetismesamfunnene
Grunnprinsippet for kvanteberegning og kvanteoptikk er en ny måte å bruke egenskapene og lovene i kvantemekanikk for informasjonsbehandling og -overføring. Denne nye måten kan hjelpe oss med å oppnå mer effektiv og kraftig informasjonsbehandling og beregningsevner, samt hjelpe oss å bedre forstå og utnytte lysets oppførsel.
I kvanteberegning bruker vi en kvantebit som den grunnleggende beregningsenheten, som har en spesiell evne til å være i to tilstander, 0 og 1, samtidig, som kalles en superposisjonstilstand. Ved å bruke denne superposisjonstilstandsegenskapen kan vi utføre mer effektiv og kraftig informasjonsbehandling og beregning.
Og i kvanteoptikk studerer vi oppførselen og egenskapene til lys på kvantenivå. Fenomener som lysets partikkelnatur, interferens og diffraksjon av lys kan beskrives på kvantemekanikkens språk. Gjennom disse studiene kan vi bedre forstå oppførselen til lys og bruke denne forståelsen til å utvikle nye teknologier og applikasjoner.
Forskerteamet brukte derfor konsepter fra kvantefysikk for å studere ikke-likevektstilstander i magnetiske materialer, samtidig som de demonstrerte den grunnleggende ideen om at magneter kan reagere på lys på korte tidsskalaer. For tilstrekkelig sterke ultrakorte laserpulser kan magnetiseringen svare innenfor den optiske perioden, så det er bare nødvendig å vurdere LLG-ligningen (LLG-ligningen er en grunnleggende ligning som beskriver den dynamiske oppførselen til magneter, og er mye brukt i magnetisme, elektromagnetisme, og andre felt.) i det optiske magnetfeltet kan optisk kontroll av magnetisering oppnås.
Denne konklusjonen er av stor revolusjonerende betydning og baner vei for utviklingen av optisk kontrollerte høyhastighetslagringsteknologier, spesielt magnetoresistive random access memory (MRAM), og innovative optiske sensorer.