Sterke magneetvelden maken met licht
Natuurkundigen van het IMM (Institute for Molecules and Materials) van de Radboud Universiteit Nijmegen hebben in nauwe samenwerking met collega’s van het Ioffe Instituut uit Sint Petersburg voor het eerst aangetoond dat met zeer korte laserlichtpulsen heel sterke magneetvelden opgewekt kunnen worden. Het bijzondere hiervan is, dat dit vrijwel direct en zonder productie van warmte gebeurt. Dit opent de weg naar een praktische toepassing van ultrasnelle pulslasers voor magnetische data-opslag met een extreem hoge verwerkingssnelheid. Een voorbeeld kan zijn een harde schijf met ingebouwde miniatuurlasers die de schijf voor de opslag van data 'oppeppen'. De onderzoekers beschrijven deze methode in een artikel dat Nature op 25 mei 2005 on-line publiceert.
Voor dit soort onderzoek bestaat in de wetenschap en de industrie veel belangstelling, omdat het een manier biedt om voorbij de bekende "wet van Moore" te komen. Elke anderhalf jaar worden de schakeltransistors binnen de micro-elektronica in afmeting de helft kleiner. Deze wet van Moore beschrijft al meer dan veertig jaar de razendsnelle ontwikkeling binnen de micro-elektronica. Een van de gevolgen is een enorme toename van zowel het rekenvermogen als de dataopslagcapaciteit van computers. Om fundamentele en technologische redenen nadert deze ontwikkeling echter met rasse schreden zijn grenzen en dreigt de wet van Moore zijn geldigheid binnenkort te verliezen. Wereldwijd zijn onderzoekers binnen de academische wereld en de industrie dan ook op zoek naar methoden om informatie op een andere manier op te slaan en te manipuleren.
Omgekeerde Faraday-effect
Een bekend fenomeen in de natuurkunde is het zogeheten Faraday-effect. Hierbij wordt de polarisatierichting van licht veranderd, wanneer dat licht door een magneetveld gaat. Bij heel sterke (natuurkundigen zeggen meestal 'hoge') velden kan de polarisatierichting zelfs drastisch veranderen. Dit effect wordt bijvoorbeeld toegepast om van doorzichtige magnetische materialen magneto-optische isolatoren en modulatoren te maken. Veel minder bekend is het omgekeerde Faraday-effect. Hierbij wordt een magnetisch materiaal beschenen met zeer intense circulair gepolariseerde laserlichtstraling. Het gevolg is dat het materiaal sterk magnetisch wordt.
Honderdduizend maal het aardse magneetveld
De onderzoekers in Nijmegen en Sint Petersburg hebben nu gebruik gemaakt van dit omgekeerde Faraday-effect. Dit werkt het beste in materialen waarin per eenheid van magnetisatie de verandering van de polarisatierichting van het licht heel sterk is. Een gunstige bijkomstigheid is dat de verhouding tussen magnetisatie en de laserintensiteit geen symmetriebeperkingen kent. Met andere woorden, het omgekeerde Faraday-effect werkt in alle media, los van hun kristalstructuur of hun magnetische structuur. Bovendien komt het effect door verstrooiing van licht tot stand en niet door absorptie van licht in het materiaal. Dat heeft als groot voordeel dat de laserpuls het materiaal ter plaatse niet opwarmt. Het gevolg is dat de magnetisatie na bestraling met de laserpuls in een tijdsbestek van miljoensten van een miljardste seconde (femtoseconden) toeneemt en dat het proces onmiddellijk ook weer herhaald kan worden. De enige begrenzing daarbij is de pulsduur (van 200 femtoseconden = 0,000 000 000 000 2 s) in de gebruikte laser.
Het opwekken van de magnetisatie bestaat in wezen uit het richten van de spin van de elektronen in het materiaal. Voor spin bestaat eigenlijk geen klassieke ('alledaagse') verklaring; het is een quantummechanisch effect. De eigenschap spin is de oorsprong van velerlei fenomenen en toepassingen, waaronder magnetisme. Een zeer korte puls van circulair gepolariseerd licht kan de spin van veel deeltjes in dezelfde richting zetten en daarmee bij wijze van spreken een heel sterke magneet maken. "Op een tijdschaal van zo'n 200 femtoseconden wekken we zo een magneetveld op met een sterkte van 5 tesla - honderdduizendmaal de sterkte van het aardse magneetveld. De directeur van het Hoge-velden Magneet Laboratorium hier in Nijmegen zou daar jaloers op kunnen zijn," zegt projectleider prof.dr. Theo Rasing om een indruk van het effect te geven. De onderzoekers hebben laten zien dat ultrasnelle optische manipulatie van de magnetisatiegraad van een materiaal zonder opwarming mogelijk is, wat de weg opent naar nieuwe methoden van dataopslag en -manipulatie.
Meer informatie bij prof.dr. Th. Rasing, Institute for Molecules and Materials, Radboud University Nijmegen, telefoon (024) 365 31 02.