Ultrakorte laserpulsmanipulatie van vaste magnetische toestanden herdefinieert het begrip van optomagnetische dynamiek

Onlangs heeft een recente studie een tot nu toe onontdekte relatie tussen licht en magnetisme aangetoond, een ontdekking die een effectief pad zal bieden voor de toekomstige geboorte van ultrasnelle lichtgestuurde opslagtechnologie en creatieve opto-magnetische sensortechnologie, die mogelijk een revolutie teweeg zal brengen in de manier waarop welke apparaten worden vervaardigd en hoe gegevens in meerdere sectoren worden opgeslagen.

De studie is afkomstig van het onderzoeksteam van Amir Kapua, professor en directeur van het Spintronics Laboratory van het Institute of Applied Physics and Electrical Engineering van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem. De studie legt het proces bloot waarmee een laserstraal de magnetische toestand van een vaste stof manipuleert, wat een paradigmaverschuiving signaleert in het menselijke begrip van de interactie tussen licht en magnetische materialen.
(Paradigmaverschuiving: is een diepgaande verandering die een fundamentele verschuiving in denkpatronen, waarden en manieren van weten met zich meebrengt. Net als een verandering in theoretische kaders of theoretische systemen in de wetenschap impliceert een paradigmaverschuiving een heronderzoek van hoe dingen worden begrepen en een vernieuwing van de manier waarop ze worden beschreven. Het vereist dat we bestaande concepten, theorieën en praktijken fundamenteel opnieuw beoordelen, wat op zijn beurt het vakgebied als geheel vooruit helpt.)
Een wereld waar licht en magnetisme samen dansen
Zoals we allemaal weten lijken licht en magnetisme twee heel verschillende natuurkundige verschijnselen, maar ze zijn in feite nauw met elkaar verbonden. Licht, de onzichtbare energiebron, kan onmiddellijk duizenden kilometers afleggen; en magnetisme, het mysterieuze krachtveld, kan objecten in een bepaalde richting laten bewegen. De interactie tussen hen is als de stilzwijgende samenwerking tussen dansers, stil maar vol kracht.
Licht, met zijn dualiteit tussen golven en deeltjes, kan met de snelheid van het licht bewegen en energie overbrengen. Magnetisme daarentegen is het krachtveld dat wordt gegenereerd wanneer elektronen rond de kern van een atoom roteren. Maar wanneer licht en magnetisme elkaar ontmoeten, gebeurt er iets wonderbaarlijks. Licht kan een magnetische reactie veroorzaken, en magnetisme kan de voortplanting van licht beïnvloeden. Het is alsof er een onzichtbare band tussen hen bestaat, die elkaar beïnvloeden en met elkaar interacteren.
Deze interactie is zelfs nog opmerkelijker in de microscopische wereld. Wanneer een foton een magneet tegenkomt, is er een vreemde resonantie tussen de twee. Deze resonantie is niet een simpele uitwisseling van energie, maar een dieper niveau van wederzijdse penetratie en integratie. Samen bouwen ze een complex en georganiseerd elektromagnetisch veld op waardoor alles in het universum met elkaar verbonden kan worden.
Deze verbinding, die niet alleen in de microkosmos bestaat, strekt zich ook uit tot de macrokosmos. In ons leven worden licht en magnetisme overal gebruikt. Van kompassen tot mobiele telefoons, van tv's tot computers, de interactie tussen licht en magnetisme is daarbij onmisbaar. Ze zorgen ervoor dat informatie kan worden overgedragen en dat de wereld kan functioneren.
Het vermogen van snel oscillerende lichtgolven om magneten te manipuleren
Het herdefiniëren van fundamentele fysieke interacties
Onverwacht herdefinieert dit nieuwe onderzoek het begrip van licht-magneetinteractie en vertegenwoordigt het een grote sprong voorwaarts in het menselijk begrip van fotomagnetische dynamiek.
De ontdekking van het team onthult een nieuwe theorie: het vermogen van de magnetische component van snel oscillerende lichtgolven om magneten te manipuleren herdefinieert fundamentele fysieke interacties die lang over het hoofd zijn gezien omdat magneten langzamer reageren dan lichtstraling. Vroeger, toen magnetische materialen en optische straling in perfect evenwicht waren, werd het bestaan ​​van een interactie tussen de twee bevestigd. Maar tot nu toe is de relatie tussen lichtstraling en niet-evenwichtsmagnetische materialen slechts zeer kort beschreven.
Het is duidelijk dat het onderzoeksteam beweert dat er een eenvoudige wiskundige relatie bestaat tussen de amplitude, frequentie en energieabsorptie van magnetische materialen die de sterkte van de interactie beschrijft. Dit besef wordt bereikt door gebruik te maken van principes die goed ingeburgerd zijn in de kwantumcomputing- en kwantumopticagemeenschappen, maar niet in de spintronica- en magnetismegemeenschappen.
Het basisprincipe van quantum computing en quantumoptica is een nieuwe manier om de eigenschappen en wetten uit de quantummechanica te gebruiken voor informatieverwerking en -overdracht. Deze nieuwe manier kan ons helpen efficiëntere en krachtigere informatieverwerkings- en computercapaciteiten te bereiken, en ons helpen het gedrag van licht beter te begrijpen en te gebruiken.
Bij kwantumcomputers gebruiken we een kwantumbit als basiseenheid voor berekeningen, die het speciale vermogen heeft om zich tegelijkertijd in twee toestanden te bevinden, 0 en 1, wat een superpositietoestand wordt genoemd. Door gebruik te maken van deze superpositiestatuseigenschap kunnen we efficiëntere en krachtigere informatieverwerking en -berekeningen uitvoeren.
En in de kwantumoptica bestuderen we het gedrag en de eigenschappen van licht op kwantumniveau. Fenomenen zoals de deeltjesaard van licht, interferentie en diffractie van licht kunnen worden beschreven in de taal van de kwantummechanica. Door deze onderzoeken kunnen we het gedrag van licht beter begrijpen en dit inzicht gebruiken om nieuwe technologieën en toepassingen te ontwikkelen.
Het onderzoeksteam gebruikte daarom concepten uit de kwantumfysica om niet-evenwichtstoestanden in magnetische materialen te bestuderen, terwijl ze het basisidee demonstreerden dat magneten op korte tijdschalen op licht kunnen reageren. Voor voldoende sterke ultrakorte laserpulsen kan de magnetisatie binnen de optische periode reageren, dus het is alleen nodig om de LLG-vergelijking te overwegen (de LLG-vergelijking is een fundamentele vergelijking die het dynamische gedrag van magneten beschrijft, en wordt veel gebruikt in magnetisme, elektromagnetisme, en andere velden.) in het optische magnetische veld kan optische controle van de magnetisatie worden bereikt.
Deze conclusie is van grote revolutionaire betekenis en maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van optisch bestuurde hogesnelheidsopslagtechnologieën, met name magnetoresistief willekeurig toegankelijk geheugen (MRAM), en innovatieve optische sensoren.