Nieuwe route voor het schakelen van magneten met licht
Er is geen warmte en ook geen magneetveld nodig om magneten om te polen, ontdekte een internationaal team onder leiding van FOM-natuurkundigen van de Radboud Universiteit. Een sterke lichtpuls zou voldoende moeten zijn om rechtstreeks de sterke quantummechanische 'exchange interaction' zo te beïnvloeden dat de magnetisatie kan veranderen.
In 2007 werd door FOM-bestuurslid en -werkgroepleider Theo Rasing en zijn groep aan de Radboud Universiteit voor het eerst aangetoond dat snelle laserlichtpulsen magneten kunnen ompolen. Dat was een paradigmashift: natuurkundigen dachten tot dan toe dat licht niet sterk genoeg kon zijn om de sterke magnetische interactiekrachten te doorbreken. Ten onrechte dus. Zeer lokale verhitting door de laserplus en tempoverschillen in de ompool-reacties van de samenstellende atomen, bleken goede verklaringen voor het fenomeen. Nu hebben de onderzoekers een nieuwe manier gevonden waarop licht magnetisatie kan manipuleren.
Rechtstreeks op de elektronen
In het artikel dat Nature Communications op 16 september publiceert, laten de onderzoekers zien dat het licht elektronen kan aanslaan, waardoor zij direct de sterkte van de exchange interactie kunnen beïnvloeden – en daarmee in principe de magnetisatie kunnen veranderen. En daar komt geen warmte bij vrij. En dat is goed nieuws voor de toepassing in magnetische dataopslag: deze methode kost weinig energie. Met de exchange interactie worden de interne, quantummechanische krachten bedoeld die ervoor zorgen dat een magneet magnetisch is.
"We hebben deze studie in ijzeroxiden gedaan, waaronder hematiet," vertelt FOM-projectleider Alexey Kimel. "Door zijn kristalstructuur is dat een mooi systeem om dit te onderzoeken: de ijzer-ionen worden in het kristalrooster netjes gescheiden door zuurstof-ionen. Toch is er sprake van exchange interactie tussen de ijzer-ionen omdat de elektronen via het zuurstof-ion wisselwerken. Door nu de elektronen in het zuurstof aan te slaan met een lichtpuls, manipuleren we de exchange interactie tussen de ijzerspins. In de toekomst hopen we ze zo om te kunnen polen."
Koele kostenbesparing Schakelen zonder warmte kan potentieel voor een revolutie in de magnetische dataopslag zorgen. De warmte die nu bij grote data centers vrij komt is enorm en goede koeling wordt een groot probleem. Facebook bijvoorbeeld gaat om die reden zijn nieuwe data center al in het noorden van Zweden bouwen. "Als wij met een nieuwe koele methode informatie kunnen opslaan, wordt dataopslag een stuk goedkoper," zegt Kimel.
Meten wat je doet
De onderzoekers ontwikkelden ook een magnetometer om de ultrasnelle veranderingen die ze opwekken goed te meten. Ze gebruiken daarvoor de elektromagnetische straling in het Teraherz-gebied die magnetische spins uitzenden. Door de veranderingen in deze straling te meten is het effect van het licht op de magnetisatie te meten. "Onze techniek levert een magnetometer op die meet op een femtosecondeschaal," zegt Rostislav Mikhaylovskiy, eerste auteur van het artikel.
Verder in FELIX en HFML
De onderzoekers gaan het schakelen met licht verder onderzoeken in het nieuwe FELIX-laserlab en het naastgelegen HFML in Nijmegen. De golflengte van de FELIX-lasers is vergelijkbaar met die van de exchange interactie. "Dat zal ons zeker helpen om de details van dit mechanisme verder te ontrafelen", zegt Theo Rasing.
Referentie
Ultrafast optical modification of exchange interactions in iron oxides, DOI: 10.1038/ncomms9190, Nature Communications, 16 september 2015.