Fyzici z MIT zmagnetizovali materiál pomocí světla

Fyzici z Massachusettského technologického institutu (MIT) vytvořili nový a dlouhodobý magnetický stav v materiálu pouze pomocí světla. Výzkum, publikovaný v časopise Nature, popisuje použití terahertzového laseru – světelného zdroje, který kmitá více než bilionkrát za sekundu – k přímé stimulaci atomů v antiferomagnetickém materiálu. Kmitání laseru je naladěno na přirozené vibrace atomů materiálu, čímž se posouvá rovnováha atomových spinů směrem k novému magnetickému stavu.

Výsledky představují nový způsob řízení a přepínání antiferomagnetických materiálů, které jsou zajímavé pro svůj potenciál v oblasti zpracování informací a technologie paměťových čipů. V běžných magnetech, známých jako feromagnety, směřují spiny atomů stejným směrem, takže celek lze snadno ovlivnit a přitáhnout ve směru jakéhokoli vnějšího magnetického pole. Naproti tomu antiferomagnety se skládají z atomů s střídajícími se spiny, z nichž každý směřuje opačným směrem než jeho soused. Tento pořádek nahoru, dolů, nahoru, dolů v podstatě vyruší spiny, čímž antiferomagnetům poskytne nulovou magnetizaci, která je imunní vůči jakémukoli magnetickému tahu.

Pokud by se paměťový čip dal vyrobit z antiferomagnetického materiálu, data by se dala „zapsat“ do mikroskopických oblastí materiálu, které se nazývají domény. Určitá konfigurace orientace spinů (například nahoru-dolů) v dané doméně by představovala klasický bit „0“ a jiná konfigurace (dolů-nahoru) by znamenala „1“. Data zapsaná na takovém čipu by byla odolná vůči vnějšímu magnetickému vlivu.

Z tohoto a dalších důvodů vědci věří, že antiferomagnetické materiály by mohly být robustnější alternativou k existujícím magnetickým technologiím ukládání dat. Hlavní překážkou však bylo, jak řídit antiferomagnety tak, aby spolehlivě přepínaly materiál z jednoho magnetického stavu do druhého.

„Antiferomagnetické materiály jsou robustní a nejsou ovlivněny nežádoucími potulnými magnetickými poli,“ říká Nuh Gedik, profesor fyziky na MIT. „Tato robustnost je však dvousečná zbraň; jejich necitlivost na slabá magnetická pole činí tyto materiály obtížně ovladatelnými.“

Pomocí pečlivě naladěného terahertzového světla se týmu z MIT podařilo řízeně přepnout antiferomagnet do nového magnetického stavu. Antiferomagnety by mohly být začleněny do budoucích paměťových čipů, které ukládají a zpracovávají více dat při nižší spotřebě energie a zabírají zlomek prostoru stávajících zařízení, a to díky stabilitě magnetických domén.

„Obecně platí, že takové antiferomagnetické materiály se neřídí snadno,“ říká Gedik. „Nyní máme několik nástrojů, díky nimž je můžeme ladit a upravovat.“

Gedik je hlavním autorem nové studie, na které se také podíleli spoluautoři z MIT Batyr Ilyas, Tianchuang Luo, Alexander von Hoegen, Zhuquan Zhang a Keith Nelson, spolu s spolupracovníky z Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter v Německu, University of the Basque Country ve Španělsku, Seoul National University a Flatiron Institute v New Yorku.

Vyvedení z rovnováhy

Gedikova skupina na MIT vyvíjí techniky pro manipulaci s kvantovými materiály, ve kterých interakce mezi atomy mohou vést k exotickým jevům.

„Obecně vzrušujeme materiály světlem, abychom se dozvěděli více o tom, co je drží pohromadě,“ říká Gedik. „Například proč je tento materiál antiferomagnet a existuje způsob, jak narušit mikroskopické interakce tak, aby se změnil na feromagnet?“

Ve své nové studii pracoval tým s FePS₃ – materiálem, který přechází do antiferomagnetické fáze při kritické teplotě kolem 118 kelvinů (-247 stupňů Fahrenheita).

Tým se domníval, že by mohl řídit přechod materiálu naladěním na jeho atomové vibrace.

„V každém pevné látce si ji můžete představit jako různé atomy, které jsou periodicky uspořádané, a mezi atomy jsou malé pružiny,“ vysvětluje von Hoegen. „Pokud byste jeden atom zatáhli, kmital by na charakteristické frekvenci, ke které typicky dochází v terahertzovém rozsahu.“

Způsob, jakým atomy kmitají, souvisí také s tím, jak jejich spiny vzájemně interagují. Tým usoudil, že pokud by mohl stimulovat atomy terahertzovým zdrojem, který kmitá stejnou frekvencí jako kolektivní vibrace atomů, nazývané fonony, mohl by tento efekt také pohnout atomovými spiny z jejich dokonale vyváženého, magneticky střídavého uspořádání. Jakmile jsou vyvedeny z rovnováhy, atomy by měly mít větší spiny v jednom směru než v druhém, čímž se vytvoří preferovaná orientace, která by posunula inherentně nemagnetizovaný materiál do nového magnetického stavu s konečnou magnetizací.

„Myšlenka je, že můžete zabít dvě mouchy jednou ranou: vzrušujete terahertzové vibrace atomů, které se také spojují se spiny,“ říká Gedik.

Třesení a psaní

Aby ověřili tuto myšlenku, pracoval tým s vzorkem FePS₃, který byl syntetizován kolegy z Seoul National University. Vzorek umístili do vakuové komory a ochladili ho na teploty na a pod 118 K. Poté vygenerovali terahertzový puls namířením paprsku blízkého infračerveného světla přes organický krystal, který světlo transformoval na terahertzové frekvence. Poté namířili toto terahertzové světlo na vzorek.

„Tento terahertzový puls používáme k vytvoření změny ve vzorku,“ říká Luo. „Je to jako ‚napsat‘ nový stav do vzorku.“

Aby potvrdili, že puls vyvolal změnu magnetismu materiálu, namířili tým na vzorek také dva blízké infračervené lasery, každý s opačnou kruhovou polarizací. Pokud by terahertzový puls neměl žádný účinek, výzkumníci by neměli vidět žádný rozdíl v intenzitě přenášených infračervených laserů.

„Pouhé zjištění rozdílu nám říká, že materiál již není původním antiferomagnetem a že indukujeme nový magnetický stav, v podstatě pomocí terahertzového světla k otřesům atomů,“ říká Ilyas.

V opakovaných experimentech tým zjistil, že terahertzový puls úspěšně přepnul dříve antiferomagnetický materiál do nového magnetického stavu – přechod, který přetrval překvapivě dlouhou dobu, přes několik milisekund, a to i poté, co byl laser vypnut.

„Lidé již dříve viděli tyto světlem indukované fázové přechody v jiných systémech, ale obvykle žijí velmi krátce v řádu pikosekund, což je biliontina sekundy,“ říká Gedik.

Pouze za několik milisekund by vědci nyní mohli mít slušné časové okno, během kterého by mohli zkoumat vlastnosti dočasného nového stavu, než se vrátí do své inherentní antiferomagnetické povahy. Poté by mohli být schopni identifikovat nové nástroje pro úpravu antiferomagnetů a optimalizaci jejich použití v paměťových technologiích nové generace.

Tento výzkum byl částečně podpořen americkým ministerstvem energetiky, divizí materiálových věd a inženýrství, úřadem pro základní energetické vědy a Nadací Gordona a Betty Mooreových.