Физики манипулируют магнетизмом с помощью света
Ученые Массачусетского технологического института и их коллеги не только нашли новый способ манипулирования магнетизмом в материале с помощью света, но и открыли редкую форму материи. Первое может привести к приложениям, включая устройства хранения данных компьютера, которые могут считывать или записывать информацию гораздо быстрее, а второе вводит новую физику.
Как многие знают, твердое вещество состоит из различных типов элементарных частиц, таких как протоны и нейтроны. Также в нем повсеместно встречаются «квазичастицы», с которыми люди менее знакомы.
К ним относятся экситоны, которые состоят из электрона и «дырки», или пространство, остающееся позади, когда свет падает на материал, а энергия фотона заставляет электрон выпрыгивать из своего обычного положения. Однако благодаря тайнам квантовой механики электрон и дырка все еще связаны и могут «общаться» друг с другом посредством электростатических взаимодействий.
«Экситоны можно рассматривать как пакеты энергии, распространяющиеся по системе», — говорит Эдоардо Бальдини, один из двух ведущих авторов статьи о работе в Nature Communications.
«Экситоны в этом материале довольно уникальны тем, что они связаны с магнетизмом в системе. Было весьма впечатляюще иметь возможность «подтолкнуть» экситоны светом и наблюдать связанные с этим изменения в магнетизме», — говорит Карина Белвин, соавтор исследования.
Управление магнетизмом
Текущая работа связана с созданием необычных экситонов в материале трисульфид никеля и фосфора (NiPS3). Эти экситоны «одеты» или подвержены влиянию окружающей их среды. В данном случае такой средой является магнетизм. «Итак, мы обнаружили, что, возбуждая эти экситоны, мы действительно можем управлять магнетизмом в материале», — говорят ученые.
Магнит работает благодаря свойству электронов, называемому спином (другое, более знакомое свойство электронов — их заряд).
Спин можно представить себе как элементарный магнит, в котором электроны в атоме подобны маленьким иголочкам, ориентирующимся определенным образом. Например, в магнитах на холодильнике все спины (вращения) направлены в одном направлении, а материал известен как ферромагнетик.
В материале, использованном командой Массачусетского технологического института, чередующиеся вращения направлены в противоположные стороны, образуя антиферромагнетик.
Физики обнаружили, что импульс света заставляет каждую из маленьких электронных «игл» в NiPS3 начинать вращаться по кругу. Вращающиеся спины синхронизированы и образуют волну во всем материале, известную как спиновая волна. Спиновые волны можно использовать в спиновой электронике или спинтронике — области, появившейся в 1960-х годах.
Спинтроника по существу использует вращение электронов, чтобы выйти за рамки электроники, которая основана на их заряде.
Способность создавать спиновые волны в антисегнетоэлектрическом материале может привести к созданию будущих компьютерных запоминающих устройств, которые смогут считывать или записывать информацию гораздо быстрее, чем устройства, основанные только на электронике.
«Мы еще не достигли этого. В нашей статье мы продемонстрировали процесс, который лежит в основе когерентного переключения доменов: следующим шагом будет фактическое переключение доменов», — говорит Эдоардо Бальдини.
Редкая форма материи
Благодаря своей работе ученые также продемонстрировали редкую форму материи.
Когда физики подвергли NiPS3 воздействию интенсивных импульсов света, они обнаружили, что он превратился в металлическое состояние, которое проводит электроны, сохраняя при этом свой магнетизм.
NiPS3 обычно является изолятором (материалом, который не проводит электроны). «Очень редко бывает антиферромагнетик и металлическое состояние в одном и том же материале», — говорят исследователи.
Физики считают, что это происходит потому, что интенсивный свет заставляет экситоны сталкиваться друг с другом и распадаться на составляющие: электроны и дырки.
«Мы фактически разрушаем экситоны, чтобы электроны и дырки могли двигаться, как в металле», — говорит Эдоардо Бальдини. Но эти подвижные частицы не взаимодействуют с локализованными электронными спинами, участвующими в спиновой волне, поэтому магнетизм сохраняется.
Он описывают экспериментальную установку как «игровую площадку для наблюдения за физикой многих тел», которую он определяет как «элегантное взаимодействие между различными телами, такими как экситоны и спиновые волны». «Что мне действительно понравилось в этой работе, так это то, что она показывает сложность окружающего нас мира» — заключил Эдоардо Бальдини.