پژوهشگران نشان داده اند می توانند یک پادفرومغناطیس را با استفاده از نور تراهرتز مغناطیسی کنند و این حالت را یک میلیون بار سریعتر از آنچه برای حالتهای مغناطیسی دیگر امکان پذیر است، تغییر دهند.

با استفاده از نور تراهرتز به دقت تنظیم شده، پژوهشگران یک پاد فرومغناطیس را به صورت قابل کنترل مغناطیسی کرده اند.

پاد فرومغناطیس ها، موجودات عجیبی هستند! از یک طرف، پژوهشگران علاقه زیادی به آنها دارند، زیرا مغناطش صفر خالص این مواد در برابر میدانهای مغناطیسی سرگردان مقاوم است، به این معنی که می توانند به عنوان محافظ های مغناطیسی پایدار به کار گرفته شوند. از سوی دیگر، پژوهشگران از آنها بیزارند، زیرا مغناطش صفر خالص این مواد، دستکاری کردن ویژگیهای مغناطیسی یک پاد فرومغناطیس را بسیار دشوار می سازد. اکنون نوه گدیک Nuh Gedik از دانشگاه MIT و گروهش روشی برای استفاده از نور به منظور شکستن قدرت مغناطیسی یک پاد فرومغناطیس به نمایش گذاشته اند[1]. گروه نشان دادند یک پالس نور تراهرتز می تواند به سرعت یک حالت مغناطیسی پایدار را در یک پاد فرومغناطیس به کار اندازد که یک مسیر بالقوه برای دستگاه های ذخیره سازی مغناطیسی آینده باز می کند.

در یک پاد فرومغناطیس، اسپین های اتم های مجاور در جهت های مخالف قرار می گیرند. اگر بزرگی هر اسپین یکسان باشد - آنگونه که معمولا همین طور است- این راستای پاد موازی به یک مغناطش صفر خالص منجر می شود، زیرا میدان های مغناطیسی اسپین های بالا و پایین، یکدیگر را خنثی می کنند. جهت اسپین ها در برابر اختلال ناشی از میدان های مغناطیسی سرگردان مقاوم است که از پاد فرومغناطیس ها یک کاندیدای بالقوه برای دستگاه های ذخیره سازی اطلاعات در آینده می سازد. اما برای دستیابی به این هدف، پژوهشگران نیازمند روشی برای کنترل قابل اطمینان حالت مغناطیسی پاد فرومغناطیس ها هستند که قبلا روش هایی برای آن وجود نداشت. گدیک می گوید: "نداشتن مغناطش خالص هم یک موهبت و هم یک نفرین است."

پژوهشگران در آزمایشهای خود به لایه ای از تری سولفاید فسفر آهن، پالس های نور تراهرتز را تاباندند. فرکانس نور با یک مُد ارتعاشی کم انرژی از اتمها تنظیم شده بود که امکان هل دادن جایگاه اتم ها نسبت به یکدیگر را در اختیار گروه می گذاشت. گروه نشان دادند که این هل دادن، اسپین های رو به بالا را به یکدیگر نزدیکتر و اسپین های رو به پایین را از یکدیگر دورتر می کند.

با کاوش ویژگیهای مغناطیسی در طول این فرآیند جابه جایی، گروه دریافتند که این کار قسمتی از نمونه را مغناطیسی می کند. این حالت مغناطیسی شبه پایدار 2.5 میلی ثانیه دوام داشت، یعنی یک طول عمر نسبتا طولانی برای چنین حالتی (گذارهای فاز القا شده با نور در سیستم های مشابه قبلا به مدت چند پیکوثانیه دوام داشتند، یعنی یک میلیارد بار کوتاهتر از میلی ثانیه های به دست آمده از گدیک و گروهش).

توضیح این مغناطش القا شده با نور به نوسانات در جهت های اسپین مرتبط است. وقتی اسپین های رو به بالا در اثر تابش نزدیکتر به هم قرار می گیرند، قویتر برهمکنش کرده و کمتر نوسان می کنند که میانگین زمانی هم جهت بودن آنها را بیشتر می کند. عکس قضیه برای اسپین های پایین رخ می دهد: برهمکنش های ضعیف تر، نوسانات بیشتر و میانگین زمانی هم جهتی کمتر. نتیجه، یک مغناطش خالص است. زیرا مجموع جهت های اسپین های بالا و پایین دیگر مثل گذشته یکدیگر را خنثی نمی کنند.

به نظر می رسد حالت مغناطش خالص همچنین با گذار فاز پاد فرومغناطیسیِ تری سولفاید فسفر آهنِ پاد فرومغناطیس، جفت شده است -گذاری که در آن آرایش پادموازیِ تری سولفاید فسفر آهن به یک جهت تصادفی از اسپین ها می شکند. پژوهشگران دریافتند وقتی دما را تا جایی که این گذار اتفاق می افتد افزایش دادند، این وضعیت مغناطیسی مشهودتر بوده است. گدیک می گوید به نظر می رسد که این اثر از جفت شدگی تغییر القا شده با نور در آرایش اسپین ها، با نوسانات القا شده از گذار فاز در جهتگیری اسپین ناشی می شود. این جفت شدگی ممکن است اسپین ها را برای تبدیل به حالت مغناطیسی پذیراتر کند.

علاوه بر طول عمر این حالت، پژوهشگران مدت زمان لازم برای تبدیل به این حالت مغناطیسی را اندازه گیری کردند. آنها به زمان تبدیلِ حدود یک پیکوثانیه، 6 مرتبه بزرگی سریعتر از اکثر دستگاه های ذخیره سازی مغناطیسی فعلی که از جریان های الکتریکی برای "وارونه کردن" مغناطش در یک ماده مغناطیسی استفاده می کنند، دست یافتند. تیانچوانگ میخائل لوئو Tianchuang Michael Luoاز دانشگاه MIT که در این پروژه با گدیک همکاری کرده می گوید : "این حالت همزمان هم سریع و هم کند است." او می گوید: "اینکه ما می توانیم به سرعت این حالت بسیار پایدار را فعال کنیم هیجان انگیز است، زیرا می تواند به ما امکان ذخیره سازی اطلاعات در آن را برای مدتی طولانی بدهد."

طول عمر بلند مدتِ این حالت نیز دریچه ای به درک بهتر ویژگیهای آن می گشاید. برای مثال، 2 میلی ثانیه می تواند برای انجام اندازه گیری های الکتریکی سیستم به اندازه کافی طولانی باشد، چیزی که برای حالت های با طول عمر کوتاهتر امکان پذیر نیست. گدیک می گوید: "دو میلی ثانیه مثل یک بی نهایت است."

پژوهشگران دیگر نیز اثرات القا شده با نور را در پاد فرومغناطیس ها نشان داده اند، اما نه با کنترل نشان داده شده توسط گروه گدیک. در اکثر مطالعات پیشین، نور هم با الکترونهای اتمها و هم با اسپین آنها جفت شده بود. باتیر ایلیاس Batyr Ilyas از دانشگاه MIT که او نیز روی این پروهش کار کرده، می گوید: " نور روی همه ویژگی های ماده تاثیر گذاشته است." گروه توانست فقط ویژگیهای مغناطیسی را مورد هدف قرار دهد-سطحی از کنترل که در اثر استفاده از نور تراهرتز که فقط با اسپین ها (از طریق ساز و کار هُل دادن اتمیatom-jostling ) برهمکنش می کرد، امکان پذیر شد.

ریچارد اَوِریت Richard Averitt که در دانشگاه کالیفرنیا در سَن دیگو ویژگیهای اپتیکی و الکترونی مواد کوانتومی را مطالعه می کند، می گوید: "این یک آزمایشِ به خوبی طراحی شده، با پشتیبانی شبیه سازی ها و مدل سازی است تا نشان دهد چگونه پالسهای تراهرتز شدید می توانند ویژگیهای نوظهور در جامدات را تغییر دهند. برای اَوِریت، این ایده که نوسانات، پایداری فاز القا شده با نور را افزایش می دهند نیز به طور ویژه مورد توجه است. به گفته او، زیرا این می تواند به منظور دستکاری مجموعه بزرگی از مواد کوانتومی امروزی مورد استفاده قرار بگیرد. "ایده استفاده از نور برای بررسی و کنترل یا تغییر چشم انداز انرژی پیچیده مواد کوانتومی بسیار هیجان انگیز بوده و پتانسیل قابل ملاحظه ای برای کشفیات جدید دارد".

1. B. Ilyas et al., “Terahertz field-induced metastable magnetization near criticality in FePS₃,” Nature 636, 609 (2024).

منبع:

Antiferromagnet Magnetized with Light

ترجمه خبر: بهناز ساربانها