Kvantgenombrott när laserljus gör material magnetiska

Laserljuset är cirkulärt polariserat, det vill säga ljuset har formen av en "korkskruv". När laserljus med denna typ av polarisation kommer in i ett material, överför det dess cirkulära polarisation till atomerna genom att få dem att rotera och generera atomströmmar. Om ljusets frekvens matchar atomernas vibrationsfrekvens förstärks effekten och en relativt stor magnetism genereras. (AI-genererad bild av Alexander Balatsky)

Inom ett par decennier förväntas kvantteknologins framfart revolutionera flera viktiga samhällsområden och bana väg för helt nya teknologiska möjligheter inom kommunikation och energi. Av speciellt intresse är kvantpartiklarnas egendomliga och bisarra egenskaper – som avviker helt från den klassiska fysikens lagar och kan få material att bli magnetiska eller supraledande. Genom att öka förståelsen för exakt hur och varför den här typen av kvanttillstånd uppstår är målet att kunna kontrollera och manipulera material till att få kvantmekaniska egenskaper.

Hittills har forskarna endast lyckats skapa kvantbeteenden, såsom magnetism och supraledning, vid extremt kalla temperaturer. Kvantforskningens potential är därför än så länge begränsad till laboratoriemiljöer.

Laserljus kan framkalla magnetism i rumstemperatur

Stefano Bonetti i labbet på Stockholms universitet. Foto: Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse/Magnus Bergström

Nu har forskare från Stockholms universitet, Nordiska institutet för teoretisk fysik (NORDITA)*, University of Connecticut, SLAC National Accelerator Laboratory i USA, National Institute for Materials Science i Tsukuba i Japan, Elettra-Sincrotrone Trieste, ‘Sapienza’ University of Rome och Ca’ Foscari-universitetet i Venedig för första gången någonsin kunnat visa hur man med hjälp av laserljus kan framkalla magnetism i ett icke magnetiskt material i rumstemperatur. I studien, publicerad i Nature, har forskarna utsatt ett kvantmaterial baserat på titan och strontium för korta men intensiva laserstrålar – och på så sätt framkallat magnetism.

– Vår nya metod bygger på att ljuset stör och ”lurar” atomer och elektroner i det här materialet och får dem att cirkulera i strömmar som gör det lika magnetiskt som en kylskåpsmagnet. Vi har kunnat göra det genom att utveckla en ny ljuskälla i fjärrinfrarött med en polarisation med "korkskruvs"-form. Det här är första gången vi under ett experiment har kunnat framkalla och tydligt se hur materialet blir magnetiskt i vanlig rumstemperatur. Dessutom tillåter vår metod att göra magnetiska material av många isolatorer, eftersom magneter vanligtvis är gjorda av metaller. På sikt öppnar detta för helt nya tillämpningar i samhället, säger forskningsledaren Stefano Bonetti vid Stockholms universitet och Ca’ Foscari-universitetet i Venedig.

Bred tillämpning inom flera informationsteknologier

Metoden bygger på teorin om ”dynamisk multiferrocitet” som säger att när titanatomer ”rörs om” med cirkulärt polariserat ljus i en oxid baserad på titan och strontium kommer ett magnetfält att bildas. Men det är först nu som teorin kan bekräftas i praktiken. Genombrottet förväntas kunna få bred tillämpning inom flera informationsteknologier.

Alexander Balatsky

– Det här öppnar upp för ultrasnabba magnetiska strömbrytare som kan användas för snabbare informationsöverföring och betydligt bättre datalagring, och för datorer som är betydligt snabbare och mer energieffektiva, säger Alexander Balatsky, professor i fysik vid NORDITA.  

Faktum är att de resultat som nu publiceras redan har reproducerats i flera andra laboratorier. En artikel i samma nummer av Nature visar att detta tillvägagångssätt kan användas för att skriva, och därmed lagra, magnetisk information.

Läs studien i Nature: Terahertz electric-field-driven dynamical multiferroicity in SrTiO3

Forskningsprojektet har finansierats av Knut och Alice Wallenberg Stiftelsen och ett ERC Synergy Grant.

* Nordiska institutet för teoretisk fysik (NORDITA) är ett samarbete mellan de fem nordiska länderna. Sedan 2007 är Nordita lokaliserat till universitetsområdet Albanova i Stockholm med Stockholms universitet och Kungliga Tekniska högskolan som värduniversitetet.