Valo paljastaa magnetismia ei-magneettisissa metalleissa

Heprealaisen yliopiston tohtorikoulutettava Nadav Am Shalomin ja professori Amir Capuan vetämä uusi tutkimus keskittyy fysiikan hankalaan haasteeseen: miten havaita pieniä magneettisia vaikutuksia materiaaleissa, jotka eivät ole magneettisia.   

Saatat ajatella, että metallit, kuten kupari ja kulta, ovat magneettisesti ’hiljaisia’ – ne eivät tartu jääkaappiin kuten rauta”, selitti professori Capua. ”Mutta todellisuudessa ne oikeissa olosuhteissa reagoivat magneettikenttiin mutta vain erittäin hienovaraisesti.”

Haasteena on aina ollut näiden pienten vaikutusten havaitseminen – erityisesti käyttämällä näkyvän spektrin valoa, jossa laserlähteitä on helposti saatavilla. Tähän asti signaali oli yksinkertaisesti liian heikko havaittavaksi.

Tämän ratkaistakseen tutkijat päivittivät menetelmää nimeltä magneto-optinen Kerr-ilmiö (MOKE), jossa laserilla mitataan, miten magnetismi muuttaa valon heijastumista. Sitä hieman viritettyään he pystyivät havaitsemaan magneettisia "kaikuja" ei-magneettisista metalleista, kuten kuparista, kullasta, alumiinista, tantaalista ja platinasta – saavutus, jota aiemmin pidettiin lähes mahdottomana.

Teoriassa optinen Hall-ilmiö auttaisi tiedemiehiä visualisoimaan elektronien käyttäytymistä valon ja magneettikenttien vuorovaikutuksessa. Mutta näkyvillä aallonpituuksilla tämä ilmiö on jäänyt aivan liian hienovaraiseksi havaittavaksi. Tiedemaailma on tiennyt sen olemassaolosta, mutta sillä ei ole ollut työkaluja sen mittaamiseen.

Hall-ilmiö on siten myös keskeinen työkalu puolijohdeteollisuudessa ja atomitason materiaalien tutkimuksessa: se auttaa tiedemiehiä selvittämään, kuinka monta elektronia metallissa on. Perinteisesti Hall-ilmiön mittaaminen on kuitenkin tarkoittanut pienten johtojen fyysistä kiinnittämistä laitteeseen, mikä on aikaa vievä ja hankala prosessi, varsinkin kun käsitellään nanometrin kokoisia komponentteja. Uusi lähestymistapa on kuitenkin paljon yksinkertaisempi: se vaatii vain laserin suuntaamisen sähkölaitteeseen, johtoja ei tarvita.

Tutkiessaan asiaa tarkemmin, tiimi havaitsi, että se, mikä näytti satunnaiselta "kohinalta" heidän signaalissaan, ei ollutkaan lainkaan satunnaista. Sen sijaan se noudatti selkeää kaavaa, joka oli sidottu spin-orbit-kytkentään, joka yhdistää elektronien liikkumisen niiden spin käyttäytymiseen – keskeiseen käyttäytymiseen modernissa fysiikassa.

Tämä yhteys vaikuttaa myös siihen, miten magneettinen energia haihtuu materiaaleissa. Näillä havainnoilla on suoria vaikutuksia magneettisen muistin, spintronisten laitteiden ja jopa kvanttijärjestelmien suunnitteluun.

Tekniikka tarjoaa ei-invasiivisen, erittäin herkän työkalun metallien magnetismin tutkimiseen – ilman massiivisia magneetteja tai kryogeenisiä olosuhteita. Sen yksinkertaisuus ja tarkkuus voisivat auttaa insinöörejä rakentamaan nopeampia prosessoreita, energiatehokkaampia järjestelmiä ja ennennäkemättömän tarkkoja antureita.

”Tämä tutkimus muuttaa lähes 150 vuotta vanhan tieteellisen ongelman uudeksi mahdollisuudeksi”, hehkuttaa professori Capua.

Aiheesta aiemmin:

Magnetismia ei-magneettiseen materiaaliin

Valo valtaa alaa magnetismissa

Magnetismia ei-magneettisissa materiaaleissa