פיזיקאים ב-MIT גירו ישירות אטומים בחומר אנטי-פרומגנטי באמצעות לייזר טרה-הרץ, מקור אור שמתנודד יותר מטריליון פעמים בשנייה. התוצאות שלהם מספקות דרך חדשה לשלוט ולהחליף חומרים אנטי-פרומגנטיים, המעניינים את הפוטנציאל שלהם לקדם עיבוד מידע וטכנולוגיית שבבי זיכרון.
איליאסet al. הדגימה את המניפולציה היעילה של מצב הקרקע המגנטי במגנטים שכבות דרך מסלולים לא תרמיים תוך שימוש באור טרה-הרץ ואזורים מבוססים ליד נקודות קריטיות עם תנודות פרמטרי סדר משופרות כאזורים המבטיחים חיפוש אחר מצבים קוונטיים נסתרים מט-יציבים. קרדיט תמונה: אדם גלנצמן.
במגנטים נפוצים, המכונים פרומגנטים, הספינים של האטומים מצביעים לאותו כיוון, באופן שניתן להשפיע בקלות על השלם ולמשוך אותו לכיוון של כל שדה מגנטי חיצוני.
לעומת זאת, אנטי-פרומגנטים מורכבים מאטומים עם ספינים מתחלפים, שכל אחד מהם מצביע בכיוון ההפוך משכנו.
הסדר הזה למעלה, למטה, למעלה, למטה בעצם מבטל את הספינים החוצה, ומעניק לאנטי-פרומגנטים מגנטיזציה אפסית נטו שאינה אטומה לכל משיכה מגנטית.
אם ניתן היה לייצר שבב זיכרון מחומר אנטי-פרומגנטי, ניתן היה 'לכתוב' נתונים לאזורים מיקרוסקופיים של החומר, הנקראים תחומים.
תצורה מסוימת של כיווני ספין (לדוגמה, מעלה-למטה) בתחום נתון תייצג את הסיביות הקלאסי '0', ותצורה שונה (למטה למעלה) פירושה '1'. נתונים שנכתבו על שבב כזה יהיו חזקים מפני השפעה מגנטית חיצונית.
מסיבה זו ומסיבות אחרות, מדענים מאמינים כי חומרים אנטי-פרומגנטיים יכולים להוות אלטרנטיבה חזקה יותר לטכנולוגיות אחסון מבוססות מגנטיות קיימות.
מכשול גדול, לעומת זאת, היה כיצד לשלוט באנטי-פרומגנטים באופן אמין שמעביר את החומר ממצב מגנטי אחד למשנהו.
באמצעות אור terahertz מכוון בקפידה, פרופסור Nuh Gedik של MIT ועמיתיו הצליחו להעביר בצורה בקרה אנטי-פרומגנט למצב מגנטי חדש.
"חומרים אנטי-פרומגנטיים הם חזקים ואינם מושפעים משדות מגנטיים תועים לא רצויים", אמר פרופסור גדיק.
"עם זאת, החוסן הזה הוא חרב פיפיות; חוסר הרגישות שלהם לשדות מגנטיים חלשים מקשה על השליטה בחומרים האלה."
החוקרים עבדו עם FePS3, חומר שעובר לשלב אנטי-פרומגנטי בטמפרטורה קריטית של בסביבות 118 K.
הם חשדו שהם עשויים לשלוט במעבר של החומר על ידי כוונון לתנודות האטומיות שלו.
"בכל מוצק, אתה יכול לדמיין אותו כאטומים שונים המסודרים מעת לעת, ובין האטומים יש מעיינות זעירים", אמר ד"ר אלכסנדר פון הוגן מ-MIT.
"אם היית מושך אטום אחד, הוא היה רוטט בתדר אופייני שמתרחש בדרך כלל בטווח הטרה-הרץ."
האופן שבו אטומים רוטטים קשור גם לאופן שבו הספינים שלהם מתקשרים זה עם זה.
המדענים טענו שאם הם יכולים לעורר את האטומים באמצעות מקור טרה-הרץ המתנודד באותה תדר כמו הרטטים הקולקטיביים של האטומים, הנקראים פונונים, האפקט יכול גם לדחוף את הסיבובים של האטומים מהיישור המאוזן המושלם שלהם, המתחלף מגנטית.
ברגע שיצאו מאיזון, לאטומים צריכים להיות ספינים גדולים יותר בכיוון אחד מאשר בכיוון השני, מה שיוצר אוריינטציה מועדפת שתעביר את החומר הלא ממוגנט מטבעו למצב מגנטי חדש עם מגנטיזציה סופית.
"הרעיון הוא שאתה יכול להרוג שתי ציפורים במכה אחת: אתה מעורר את תנודות הטרה-הרץ של האטומים, שגם מתחברים לספינים", אמר פרופסור גדיק.
כדי לבדוק את הרעיון הזה, הם הציבו מדגם של FePS3בתא ואקום וקירר אותו לטמפרטורות של ומתחת ל-118 K.
לאחר מכן הם יצרו דופק טרה-הרץ על-ידי כיוון אלומת אור קרוב לאינפרא אדום דרך גביש אורגני, שהפך את האור לתדרי הטרה-הרץ.
לאחר מכן הם כיוונו את אור הטרה-הרץ הזה לכיוון המדגם.
"דופק הטרה-הרץ הזה הוא מה שאנו משתמשים בו כדי ליצור שינוי במדגם", אמר ד"ר טיאנצ'ואנג לואו מ-MIT.
"זה כמו 'לכתוב' מדינה חדשה לתוך המדגם."
כדי לאשר שהדופק גרם לשינוי במגנטיות של החומר, המחברים כיוונו אל המדגם שני לייזרים כמעט אינפרא אדום, כל אחד עם קיטוב מעגלי הפוך.
אם לדופק הטרה-הרץ לא הייתה השפעה, הם לא אמורים לראות הבדל בעוצמת הלייזרים האינפרא-אדומים המשודרים.
"רק לראות הבדל אומר לנו שהחומר אינו עוד האנטי-פרומגנט המקורי, ושאנחנו גורמים למצב מגנטי חדש, בעצם שימוש באור טרה-הרץ כדי לנער את האטומים", אמר ד"ר בטייר איליאס מ-MIT.
במהלך ניסויים חוזרים ונשנים, הצוות הבחין שדופק טרה-הרץ העביר בהצלחה את החומר האנטי-פרומגנטי הקודם למצב מגנטי חדש - מעבר שנמשך זמן רב באופן מפתיע, על פני מספר אלפיות שניות, גם לאחר כיבוי הלייזר.
"אנשים ראו בעבר את מעברי הפאזות הללו המושרים על ידי אור במערכות אחרות, אבל בדרך כלל הם חיים לפרקים קצרים מאוד בסדר גודל של פיקושניה, שהיא טריליון שניה", אמר פרופסור גדיק.
הלִלמוֹדפורסם בכתב העתטֶבַע.
_____
ב' איליאסet al. 2024. מגנטיזציה מטא-יציבה המושרה על ידי Terahertz ליד קריטיות ב-FePS3.טֶבַע636, 609-614; שניים: 10.1038/s41586-024-08226-x
מאמר זה הוא גרסה של הודעה לעיתונות שסופקה על ידי MIT.
