Ученые открыли новый способ манипулировать магнитами с помощью лазерных импульсов, продолжительность которых короче одной триллионной доли секунды. Международная группа исследователей, возглавляемая учеными из университетов Ланкастера и Радбауда, также определила длину (цвет) световой волны, которая обеспечивает наиболее эффективные манипуляции. Результаты опубликованы в Physical Review Letters, сообщает портал Phys.org.
Магниты очаровывали людей с древних времен, но еще сто лет назад теоретическое понимание магнетизма оставалось очень трудным. Прорыв в понимании произошел с развитием квантовой механики и открытием того факта, что каждый электрон имеет собственный магнитный момент (спин). Вращение можно рассматривать как элементарную «стрелку компаса», показывающую направление от северного полюса к южному. В магнитах все спины ориентированы в одном направлении под действием одного из сильнейших квантовых эффектов – обменного взаимодействия, которое ответственно за само существование магнитных материалов. О силе обменного взаимодействия можно судить по тому факту, что оно создает магнитные поля в 10 000 раз сильнее, чем магнитное поле Земли. Управление обменным взаимодействием было бы наиболее эффективным и, в конечном счете, самым быстрым способом управления магнетизмом. Чтобы добиться этого результата, исследователи использовали самый быстрый и самый сильный из доступных стимулов: возбуждение ультракоротким лазерным импульсом.
Однако для обнаружения/наблюдения влияния света на магнетизм потребуется сверхбыстрый магнитометр – устройство, которое сможет отслеживать динамику спинов с разрешением менее одной триллионной доли секунды. Это намного быстрее, чем временное разрешение современной электроники, но авторы нашли решение этой проблемы. Как объясняет ведущий исследователь, доктор Ростислав Михайловский из Ланкастерского университета: «Спины колеблются на терагерцовых частотах почти в триллион раз быстрее, чем стандартная частота линии электропередачи в 50 Гц. Благодаря таким высоким частотам колебаний, спины действуют как антенны, испускающие электромагнитное излучение. Анализируя свойства испускаемого излучения, мы можем извлечь информацию о сверхбыстрой динамике намагничивания, вызванной оптическим управлением обменными силами».
Систематически меняя цвет (длину волны) возбуждающих лазерных импульсов от красного до синего, ученые смогли определить параметры, при которых влияние света на магнетизм является самым сильным. Доктор Михайловский сказал: «Было очень важно увидеть, что влияние света на обменное взаимодействие действительно существует. Регулируя длину волны или цвет света, мы начали понимать, как усилить этот эффект». Это захватывающее открытие открывает новое направление исследований в Ланкастерском университете под руководством доктора Михайловского.
Следующим шагом является выполнение систематических исследований сверхбыстрого управления магнетизмом в широком спектральном диапазоне, чтобы сравнить эффективность накачки в дальнем, среднем инфракрасном и видимом диапазонах и, таким образом, определить наиболее эффективный, а также самый быстрый подход для манипуляции спинами. С этой целью введена в эксплуатацию новая лазерная система, способная генерировать лазерные импульсы во всех этих частотных диапазонах.
