Valo luo nanomittakaavan magnetismia

Cornellin tutkijat ovat osoittaneet uuden tavan tuottaa voimakkaita staattisia magneettikenttiä ilman ulkoisia magneetteja tai magneettisia materiaaleja käyttämällä suunniteltua metapintaa, joka vangitsee valoa – lähestymistapa, joka voisi edistää spintroniikkaa, kvantti- ja fotonista laskentaa sekä datantallennusta.

Tutkimusartikkelissa tohtoriopiskelija Shivaksh Rawat yhdessä Gennady Shvetsin ja Samyobrata Mukherjeen kanssa, kuvaa kuinka uutta valon manipulointitekniikkaa – niin kutsuttua "aikarajapintaa" – voidaan käyttää muuntamaan osa optisen aallon energiasta staattiseksi magnetisaatioksi.

Kun valoaalto kohtaa rajapinnan osa valosta heijastuu pinnasta, kun taas loput läpäisevät sen. Myös aikarajapinnan kohdatessaan valo tuottaa heijastuneita ja läpäisseitä aaltoja. Mutta aikarajapinta voi myös virittää järjestelmän staattisen nollataajuusmoodin; toisin sanoen pysäyttää osan valon nopeasti vaihtelevasta magneettikentästä ja muuntaa sen stationaariseksi magneettikenttäkuvioksi, joka pysyy paikoillaan sen sijaan, että jatkaisi värähtelyä.

Aikarajapinnan luomiseksi tutkijat käyttivät 2D-metapintaa – suorakulmaista germanium-nanorakenteiden ryhmää, joka on suunniteltu vangitsemaan keski-infrapunavaloa. Tutkijat miettivät, mitä tapahtuisi, jos metapintaa valaistaan voimakkaalla, lyhyellä, korkeaenergisellä (lähi-infrapuna) fotonipurkauksella, kun keski-infrapunavalo on edelleen rakenteen sisällä.

Heidän mallinnuksensa paljasti, että lähi-infrapunavalo vapautti elektroneja germaniumatomeista, jolloin jäljelle jäi elektroniaukkoja ja paljon vapaita elektroneja. Lähi-infrapunavalon nopea elektroni-aukkoparien muodostuminen voi aiheuttaa ajasta riippuvan muutoksen valon taitekertoimessa, joka toimii aikarajapintana vangitulle keski-infrapunavalolle.

Aikarajapinnan aikana osa loukkuun jääneen valon alkuperäisestä energiasta siirtyy uusiksi punasiirtyneiksi valoaalloiksi, kun taas loput jäävät loukkuun kiertävien vapaiden elektronien kineettiseksi energiaksi, jotka tukevat virtasilmukoita, jotka ylläpitävät pysyvää magneettikenttää kuumissa pisteissä. Ilman häviöitä tämä magnetisaatio kestäisi loputtomiin, mutta jopa normaaleissa olosuhteissa magneettikenttä kesti noin 300 femtosekuntia. Vaikka tämä vaikuttaa poikkeuksellisen lyhyeltä ajalta, se vastaa noin 20 sykliä keski-infrapuna-aaltoa, joka sen loi.

”Työmme esittelee perustavanlaatuisen uuden menetelmän voimakkaiden magneettikenttien luomiseksi valon avulla perinteisten magneettien sijaan”, Rawat sanoi. ”Muuttamalla nopeasti muokatun metapinnan optisia ominaisuuksia pystyimme muuttamaan osan läpi kulkevasta valoaallosta paikalliseksi magneettikentäksi, joka säilyi valon lähdön jälkeen”.

Tutkimustyö luo tietämystä siitä, miten valo voi sekä välittää informaatiota että luoda magnetismia, joten se voisi avata uusia tutkimussuuntia fotoniikan ja magnetismin yhtymäkohdissa. Ajasta muuttuvan fotoniikan edistämisen lisäksi tutkimuksella voisi olla tärkeitä vaikutuksia spintroniikkaan, magneettisen datantallennukseen, fotoni- ja kvanttilaskentaan sekä magneettisten ympäristöjen tarkan hallinnan kannalta.

Aiheesta aiemmin:

Magneettisuus vaihtuukin hitaammin

Nanomagneetteja pystykierteellä