Manipularea impulsurilor laser ultrascurte a stărilor magnetice solide redefinește înțelegerea dinamicii optomagnetice

Recent, un studiu recent a demonstrat o relație nedescoperită până acum între lumină și magnetism, o descoperire care va oferi o cale eficientă pentru viitoarea naștere a tehnologiei ultra-rapide de stocare controlată de lumină și a tehnologiei creative opto-magnetice cu senzori, revoluționând potențial modul în ce dispozitive sunt fabricate și cum sunt stocate datele în mai multe sectoare.

Studiul vine de la echipa de cercetare a lui Amir Kapua, profesor și director al Laboratorului de Spintronică de la Institutul de Fizică Aplicată și Inginerie Electrică de la Universitatea Ebraică din Ierusalim. Studiul expune procesul prin care un fascicul laser manipulează starea magnetică a unui solid, semnalând o schimbare de paradigmă în înțelegerea umană a interacțiunii dintre lumină și materiale magnetice.
(Schimbarea paradigmei: este o schimbare profundă care implică o schimbare fundamentală în modelele de gândire, valori și moduri de cunoaștere. La fel ca o schimbare a cadrelor teoretice sau a sistemelor teoretice în știință, o schimbare de paradigmă implică o reexaminare a modului în care lucrurile sunt înțelese și o reînnoirea modului în care sunt descrise. Ne cere să reevaluăm în mod fundamental conceptele, teoriile și practicile existente, ceea ce la rândul său avansează domeniul în ansamblu.)
O lume în care lumina și magnetismul dansează împreună
După cum știm cu toții, lumina și magnetismul par a fi două fenomene fizice foarte diferite, dar ele sunt de fapt strâns legate. Lumina, sursa invizibilă de energie, poate parcurge instantaneu mii de mile; iar magnetismul, câmpul de forță misterios, poate ghida obiectele să se miște într-o manieră direcțională. Interacțiunea dintre ei este ca cooperarea tacită dintre dansatori, tăcută, dar plină de putere.
Lumina, cu dualitatea sa val-particulă, se poate mișca cu viteza luminii și poate transmite energie. Magnetismul, pe de altă parte, este câmpul de forță generat atunci când electronii se rotesc în jurul nucleului unui atom. Dar când lumina întâlnește magnetismul, se întâmplă ceva minunat. Lumina este capabilă să declanșeze o reacție magnetică, iar magnetismul poate afecta propagarea luminii. Este ca și cum ar exista o legătură invizibilă între ei, influențându-se și interacționând unul cu celălalt.
Această interacțiune este și mai remarcabilă în lumea microscopică. Când un foton întâlnește un magnet, există o rezonanță ciudată între cei doi. Această rezonanță nu este un simplu schimb de energie, ci un nivel mai profund de penetrare și integrare reciprocă. Împreună, ei construiesc un câmp electromagnetic complex și organizat care permite conectarea tuturor lucrurilor din univers.
Această legătură, care există nu numai în microcosmos, se extinde și la macrocosmos. În viața noastră, lumina și magnetismul sunt folosite peste tot. De la busole la telefoane mobile, de la televizoare la computere, interacțiunea dintre lumină și magnetism este indispensabilă în spate. Ele permit transmiterea informațiilor și funcționarea lumii.
Capacitatea undelor luminoase care oscilează rapid de a manipula magneții
Redefinirea interacțiunilor fizice fundamentale
În mod neașteptat, această nouă cercetare redefinește înțelegerea interacțiunii lumină-magnet și reprezintă un salt înainte major în înțelegerea umană a dinamicii fotomagnetice.
Descoperirea echipei dezvăluie o nouă teorie: capacitatea componentei magnetice a undelor luminoase care oscilează rapid de a manipula magneții redefinește interacțiunile fizice fundamentale care au fost de mult trecute cu vederea, deoarece magneții răspund mai lent decât radiația luminoasă. Anterior, când materialele magnetice și radiațiile optice erau în perfect echilibru, s-a confirmat existența unei interacțiuni între cele două. Dar până acum, relația dintre radiația luminoasă și materialele magnetice neechilibrate a fost descrisă doar pe scurt.
Se înțelege că echipa de cercetare susține că există o relație matematică simplă între amplitudinea, frecvența și absorbția de energie a materialelor magnetice care descrie puterea interacțiunii. Această realizare este atinsă prin utilizarea principiilor care sunt bine stabilite în comunitățile de calcul cuantic și optică cuantică, dar nu și în comunitățile spintronice și magnetism.
Principiul de bază al calculului cuantic și al opticii cuantice este un nou mod de a folosi proprietățile și legile din mecanica cuantică pentru procesarea și transferul informațiilor. Această nouă modalitate ne poate ajuta să obținem capacități de procesare a informațiilor și de calcul mai eficiente și mai puternice, precum și să ne ajute să înțelegem și să utilizăm mai bine comportamentul luminii.
În calculul cuantic, folosim un bit cuantic ca unitate de bază de calcul, care are o capacitate specială de a fi în două stări, 0 și 1, în același timp, ceea ce se numește stare de suprapunere. Prin utilizarea acestei proprietăți de stare de suprapunere, putem efectua procesare și calcule a informațiilor mai eficiente și mai puternice.
Și în optica cuantică, studiem comportamentul și proprietățile luminii la nivel cuantic. Fenomene precum natura particulelor luminii, interferența și difracția luminii pot fi descrise în limbajul mecanicii cuantice. Prin aceste studii, putem înțelege mai bine comportamentul luminii și putem folosi această înțelegere pentru a dezvolta noi tehnologii și aplicații.
Prin urmare, echipa de cercetare a folosit concepte din fizica cuantică pentru a studia stările de neechilibru din materialele magnetice, demonstrând în același timp ideea de bază că magneții pot răspunde la lumină la scară scurtă de timp. Pentru impulsuri laser ultrascurte suficient de puternice, magnetizarea poate răspunde în perioada optică, deci este necesar să se ia în considerare doar ecuația LLG (ecuația LLG este o ecuație fundamentală care descrie comportamentul dinamic al magneților și este utilizată pe scară largă în magnetism, electromagnetism, și alte câmpuri.) în câmpul magnetic optic, se poate realiza controlul optic al magnetizării.
Această concluzie are o mare importanță revoluționară și deschide calea pentru dezvoltarea tehnologiilor de stocare de mare viteză controlate optic, în special a memoriei cu acces aleator magnetorezistiv (MRAM) și a senzorilor optici inovatori.