Исследователи из Базельского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) совершили прорыв, впервые продемонстрировав возможность переключения полярности специального магнита с помощью сфокусированного лазерного луча. Этот метод, описанный в престижном журнале Nature, прокладывает путь к будущему, где свет можно будет использовать для проектирования и перенастройки электронных схем прямо на микрочипе, что может кардинально изменить подход к созданию электронных устройств.
Обычно, чтобы изменить направление магнита (его полярность), его необходимо нагреть выше определённой критической температуры. Это разрушает упорядоченное выравнивание магнитных моментов (спинов) электронов внутри материала, позволяя им перестроиться в новом направлении при остывании. Швейцарской команде под руководством профессоров Томаша Смоленьского и Атача Имамоглу удалось добиться этого переключения, используя только свет, без повышения общей температуры материала, что является принципиально новым подходом.
Эксперимент проводился на уникальном материале, состоящем из двух атомарно тонких слоёв органического полупроводника — дителлурида молибдена. Эти слои были уложены со slight скручиванием друг относительно друга. Такая «скрученная» структура приводит к возникновению так называемых топологических состояний электронов — особых квантовых состояний, устойчивых к малым возмущениям благодаря топологическим свойствам их волновых функций. Эти состояния принципиально отличаются друг от друга, подобно тому как мяч топологически отличен от бублика. Их важность для квантовых материалов заключается в обеспечении таких свойств, как высокая проводимость без рассеяния, что перспективно для квантовых вычислений, спинтроники и создания новых электронных устройств с низким энергопотреблением.
В этом материале учёные смогли с помощью лазерного импульса переключать коллективную ориентацию спинов всех электронов, мгновенно меняя полярность всего микроскопического ферромагнетика. Более того, лазерный луч может не просто «перевернуть» магнит, но и создавать внутри материала новые внутренние границы, определяя области с разными топологическими и магнитными свойствами, что открывает возможности для динамического управления ими.
Чтобы подтвердить, что полярность крошечного магнита размером в несколько микрометров действительно изменилась навсегда, команда направила на него второй, более слабый лазерный луч. Анализируя отражённый свет, они смогли точно определить ориентацию спинов электронов. Этот метод верификации доказал контролируемый и необратимый характер переключения, достигнутого первым лазерным импульсом.
Это открытие открывает двери для принципиально новых технологий. В будущем подобный метод может позволить «оптически записывать» произвольные и адаптируемые топологические схемы прямо на чипе. Такие схемы могли бы включать, например, миниатюрные интерферометры для обнаружения сверхслабых электромагнитных полей. Основной принцип работы таких интерферометров — квантовая интерференция, где волновые свойства электронов интерферируют, создавая измеримые паттерны. Технология топологических состояний позволяет создавать стабильные квантовые пути, уменьшая декогеренцию и повышая точность интерферометров для применений в высокочувствительных датчиках, квантовой метрологии и исследованиях фундаментальной физики. Это сулит прорыв в высокоточной сенсорике и создании реконфигурируемой электроники, способной менять свою функцию на лету.
Источник: A flash of laser light flips a magnet in major light-control breakthrough