นักวิทยาศาสตร์ดึงดูดวัสดุต้านเหล็กด้วยแสงเลเซอร์เทราเฮิร์ตซ์

นักฟิสิกส์ที่ MIT ได้กระตุ้นอะตอมในวัสดุต้านแม่เหล็กไฟฟ้าโดยตรงโดยใช้เลเซอร์เทราเฮิร์ตซ์ ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่สั่นมากกว่าหนึ่งล้านล้านครั้งต่อวินาที ผลลัพธ์ของพวกเขาถือเป็นวิธีใหม่ในการควบคุมและเปลี่ยนวัสดุต้านแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นที่สนใจในด้านศักยภาพในการประมวลผลข้อมูลและเทคโนโลยีชิปหน่วยความจำขั้นสูง

ในแม่เหล็กทั่วไปที่รู้จักกันในชื่อเฟอร์โรแม่เหล็ก การหมุนของอะตอมจะชี้ไปในทิศทางเดียวกัน ในลักษณะที่แม่เหล็กทั้งหมดสามารถถูกอิทธิพลและดึงไปในทิศทางของสนามแม่เหล็กภายนอกได้อย่างง่ายดาย

ในทางตรงกันข้าม แอนติเฟอร์โรแมกเนติกประกอบด้วยอะตอมที่มีการหมุนสลับกัน โดยแต่ละอะตอมจะชี้ไปในทิศทางตรงกันข้ามจากเพื่อนบ้าน

ลำดับขึ้น ลง ขึ้น ลง นี้จะยกเลิกการหมุนออก โดยพื้นฐานแล้วจะทำให้แอนติเฟอร์โรแมกเนติกมีสนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ ซึ่งไม่สามารถทนต่อแรงดึงแม่เหล็กใดๆ ได้

หากชิปหน่วยความจำสามารถทำจากวัสดุต้านเหล็กแม่เหล็กไฟฟ้า ข้อมูลอาจถูก 'เขียน' ลงในพื้นที่จุลทรรศน์ของวัสดุที่เรียกว่าโดเมน

การกำหนดค่าบางอย่างของการวางแนวการหมุน (เช่น ขึ้น-ลง) ในโดเมนที่กำหนดจะเป็นตัวแทนบิตคลาสสิก '0' และการกำหนดค่าอื่น (ล่างขึ้นบน) จะหมายถึง '1' ข้อมูลที่เขียนบนชิปดังกล่าวจะทนทานต่ออิทธิพลของแม่เหล็กภายนอก

ด้วยเหตุผลนี้และเหตุผลอื่นๆ นักวิทยาศาสตร์จึงเชื่อว่าวัสดุป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอาจเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพมากกว่าเทคโนโลยีจัดเก็บข้อมูลแบบแม่เหล็กที่มีอยู่

อย่างไรก็ตาม อุปสรรคสำคัญอยู่ที่วิธีการควบคุมสารต้านเฟอร์โรแม่เหล็กในลักษณะที่สามารถสลับวัสดุจากสถานะแม่เหล็กหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่งได้อย่างน่าเชื่อถือ

การใช้แสงเทอร์เฮิร์ตซ์ที่ได้รับการปรับแต่งอย่างระมัดระวัง ศาสตราจารย์ MIT Nuh Gedik และเพื่อนร่วมงานสามารถควบคุมการเปลี่ยนแอนติเฟอร์โรแมกเนติกให้เป็นสถานะแม่เหล็กใหม่ได้

ศาสตราจารย์ Gedik กล่าวว่า "วัสดุต้านเหล็กแม่เหล็กไฟฟ้ามีความทนทานและไม่ได้รับอิทธิพลจากสนามแม่เหล็กหลงทางที่ไม่ต้องการ"

“อย่างไรก็ตาม ความแข็งแกร่งนี้เป็นดาบสองคม ความไม่รู้สึกต่อสนามแม่เหล็กอ่อนทำให้วัสดุเหล่านี้ควบคุมได้ยาก”

นักวิจัยทำงานร่วมกับ FePS₃ซึ่งเป็นวัสดุที่เปลี่ยนไปสู่เฟสต้านเฟอร์โรแมกเนติกที่อุณหภูมิวิกฤติประมาณ 118 เคลวิน

พวกเขาสงสัยว่าอาจควบคุมการเปลี่ยนแปลงของวัสดุโดยปรับให้เข้ากับการสั่นสะเทือนของอะตอม

“ในของแข็งใดๆ คุณสามารถจินตนาการว่ามันเป็นอะตอมที่แตกต่างกันซึ่งจัดเรียงเป็นระยะ และระหว่างอะตอมนั้นมีสปริงเล็กๆ” ดร. อเล็กซานเดอร์ ฟอน เฮเกน จาก MIT กล่าว

“ถ้าคุณดึงอะตอมออกมาหนึ่งอะตอม มันจะสั่นสะเทือนที่ความถี่เฉพาะซึ่งโดยปกติจะเกิดขึ้นในช่วงเทราเฮิร์ตซ์”

วิธีที่อะตอมสั่นสะเทือนยังเกี่ยวข้องกับการหมุนของพวกมันมีปฏิกิริยาต่อกันอย่างไร

นักวิทยาศาสตร์ให้เหตุผลว่าหากพวกเขาสามารถกระตุ้นอะตอมด้วยแหล่งกำเนิดเทราเฮิร์ตซ์ที่สั่นด้วยความถี่เดียวกันกับการสั่นสะเทือนรวมของอะตอมที่เรียกว่าโฟนัน ผลกระทบดังกล่าวยังสามารถดันการหมุนของอะตอมออกจากการจัดตำแหน่งที่สลับกันด้วยสนามแม่เหล็กที่สมดุลอย่างสมบูรณ์แบบ

เมื่อเสียสมดุลแล้ว อะตอมควรมีการหมุนที่ใหญ่กว่าในทิศทางเดียวมากกว่าอีกทิศทางหนึ่ง ทำให้เกิดการวางแนวที่ต้องการซึ่งจะเปลี่ยนวัสดุที่ไม่มีความเป็นแม่เหล็กโดยธรรมชาติให้กลายเป็นสถานะแม่เหล็กใหม่ที่มีการดึงดูดแบบจำกัด

“แนวคิดก็คือ คุณสามารถฆ่านกสองตัวได้ด้วยหินนัดเดียว โดยคุณกระตุ้นการสั่นสะเทือนเทราเฮิร์ตซ์ของอะตอม ซึ่งควบคู่กับการหมุนด้วย” ศาสตราจารย์เกดิกกล่าว

เพื่อทดสอบแนวคิดนี้ พวกเขาได้วางตัวอย่างของ FePS₃ในห้องสุญญากาศและทำความเย็นให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า 118 เคลวิน

จากนั้นพวกเขาก็สร้างพัลส์เทราเฮิร์ตซ์โดยการเล็งลำแสงแสงอินฟราเรดใกล้ผ่านคริสตัลอินทรีย์ ซึ่งเปลี่ยนแสงให้เป็นความถี่เทราเฮิร์ตซ์

จากนั้นพวกเขาก็ส่งแสงเทราเฮิร์ตซ์ไปที่ตัวอย่าง

“ชีพจรเทราเฮิร์ตซ์นี้คือสิ่งที่เราใช้เพื่อสร้างการเปลี่ยนแปลงในกลุ่มตัวอย่าง” ดร. Tianchuang Luo จาก MIT กล่าว

“มันเหมือนกับการ 'เขียน' สถานะใหม่ลงในตัวอย่าง”

เพื่อยืนยันว่าชีพจรทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กของวัสดุ ผู้เขียนยังได้เล็งเลเซอร์อินฟราเรดใกล้สองตัวไปที่ตัวอย่าง โดยแต่ละอันมีโพลาไรเซชันแบบวงกลมที่ตรงกันข้าม

หากพัลส์เทราเฮิร์ตซ์ไม่มีผล ก็ไม่น่าจะเห็นความแตกต่างในความเข้มของเลเซอร์อินฟราเรดที่ส่งผ่าน

“การเห็นความแตกต่างบอกเราว่าวัสดุนั้นไม่ใช่แม่เหล็กต้านเฟอร์โรแมกเน็ตแบบเดิมอีกต่อไป และเรากำลังกระตุ้นสถานะแม่เหล็กใหม่ โดยใช้แสงเทราเฮิร์ตซ์ในการเขย่าอะตอม” ดร. Batyr Ilyas จาก MIT กล่าว

จากการทดลองซ้ำๆ ทีมงานตั้งข้อสังเกตว่าพัลส์เทราเฮิร์ตซ์เปลี่ยนวัสดุต้านเหล็กแม่เหล็กไฟฟ้าก่อนหน้านี้ไปเป็นสถานะแม่เหล็กใหม่ได้สำเร็จ ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงที่คงอยู่เป็นเวลานานอย่างน่าประหลาดใจภายในเวลาหลายมิลลิวินาที แม้ว่าเลเซอร์จะปิดแล้วก็ตาม

“ผู้คนเคยเห็นการเปลี่ยนเฟสที่เกิดจากแสงมาก่อนในระบบอื่นๆ แต่โดยทั่วไปแล้วพวกเขาจะมีชีวิตอยู่ในช่วงเวลาสั้นมากในระดับพิโควินาที ซึ่งก็คือหนึ่งในล้านล้านของวินาที” ศาสตราจารย์เกดิกกล่าว

ที่ศึกษาได้รับการตีพิมพ์ในวารสารธรรมชาติ-

-

บี. อิลยาสและคณะ- 2024. การดึงดูดด้วยสนามแม่เหล็กที่แพร่กระจายได้ที่เกิดจากสนามเทราเฮิร์ตซ์ใกล้วิกฤตใน FePS₃-ธรรมชาติ636, 609-614; สอง: 10.1038/s41586-024-08226-x

บทความนี้เป็นเวอร์ชันหนึ่งของข่าวประชาสัมพันธ์ที่จัดทำโดย MIT