Naukowcy poczynili znaczne postępy w wizualizacji i manipulowaniu maleńkimi obszarami magnetycznymi w materiałach kwantowych za pomocą światła.
Ten przełom nie tylko pogłębia zrozumienie materiałów magnetycznych na poziomie kwantowym, ale także przyspiesza rozwój elektroniki i urządzeń pamięci nowej generacji poprzez badanie antyferromagnesów, które wykazują unikalne właściwości, które czynią je idealnymi do takich zastosowań.
Magnetyzm kwantowy
Kiedy coś przyciąga nas jak magnes, przyglądamy się bliżej. Kiedy magnesy przyciągają fizyków, przyjmują one wygląd kwantowy.
Naukowcy z Osaka Metropolitan University i Uniwersytetu Tokijskiego poczynili postępy w wykorzystaniu światła do wizualizacji i manipulowania małymi obszarami magnetycznymi zwanymi domenami magnetycznymi w materiale kwantowym. Stosując pole elektryczne, udało im się kontrolować te domeny, poszerzając naszą wiedzę o materiałach magnetycznych na poziomie kwantowym i torując drogę dla przyszłego postępu technologicznego.
Chociaż wielu z nas zna magnesy przylegające do metalowych powierzchni, istnieją inne typy, takie jak antyferromagnesy, które tego nie robią. Spotkały się one z dużym zainteresowaniem ze strony twórców technologii na całym świecie.
Wyzwania w badaniu kwantowych antyferromagnesów
Antyferromagnesy to materiały magnetyczne, w których siły magnetyczne, czyli spiny, skierowane są w przeciwnych kierunkach, znosząc się nawzajem i w rezultacie nie tworząc wypadkowego pola magnetycznego. W rezultacie materiały te nie mają odrębnych biegunów północnych i południowych ani nie zachowują się jak tradycyjne ferromagnetyki.
Antyferromagnesy, zwłaszcza te o quasi-jednowymiarowych właściwościach kwantowych – co oznacza, że ich właściwości magnetyczne ograniczają się głównie do jednowymiarowych łańcuchów atomów – są uważane za potencjalnych kandydatów na elektronikę i urządzenia pamięci nowej generacji. Jednakże odrębność materiałów antyferromagnetycznych nie polega jedynie na ich braku przyciągania do powierzchni metalowych, a badanie tych obiecujących, choć stanowiących wyzwanie materiałów nie jest łatwym zadaniem.
„Obserwacja domen magnetycznych w quasi-jednowymiarowych kwantowych materiałach antyferromagnetycznych była trudna ze względu na ich niskie temperatury przejścia magnetycznego i małe momenty magnetyczne” – powiedziała Kenta Kimura, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Metropolitan w Osace i główny autor badania.
Nowe techniki obserwacji materiałów kwantowych
Domeny magnetyczne to małe obszary w materiałach magnetycznych, w których spiny atomów są ustawione w tym samym kierunku. Granice między tymi domenami nazywane są ścianami domen.
Ponieważ tradycyjne metody obserwacji okazały się nieskuteczne, zespół badawczy twórczo przyjrzał się quasi-jednowymiarowemu kwantowemu antyferromagnesowi BaCu2Si2O7. Wykorzystali nieodwrotny dichroizm kierunkowy — zjawisko, w którym absorpcja światła przez materiał zmienia się po odwróceniu kierunku światła lub jego momentów magnetycznych. Umożliwiło im to wizualizację domen magnetycznych w BaCu2Si2O7ujawniając, że przeciwne domeny współistnieją w pojedynczym krysztale i że ściany ich domen są ułożone głównie wzdłuż określonych łańcuchów atomowych, czyli łańcuchów spinowych.
Wizualizacja i manipulowanie domenami kwantowymi
„Widzieć znaczy wierzyć, a zrozumienie zaczyna się od bezpośredniej obserwacji” – powiedział Kimura. „Jestem podekscytowany, że mogliśmy zwizualizować domeny magnetyczne tych kwantowych antyferromagnesów za pomocą prostego mikroskopu optycznego”.
Zespół wykazał również, że ściany domen można przesuwać za pomocą pola elektrycznego dzięki zjawisku zwanemu sprzężeniem magnetoelektrycznym, w którym właściwości magnetyczne i elektryczne są ze sobą powiązane. Nawet podczas ruchu ściany domeny zachowały swój pierwotny kierunek.
„Ta metoda mikroskopii optycznej jest prosta i szybka i potencjalnie umożliwi w przyszłości wizualizację w czasie rzeczywistym ruchomych ścian domen” – powiedział Kimura.
Implikacje dla przyszłych technologii kwantowych
Badanie to stanowi znaczący krok naprzód w zrozumieniu materiałów kwantowych i manipulowaniu nimi, otwierając nowe możliwości zastosowań technologicznych i odkrywając nowe granice w fizyce, które mogą doprowadzić do opracowania przyszłych urządzeń i materiałów kwantowych.
„Zastosowanie tej metody obserwacji do różnych quasi-jednowymiarowych kwantowych antyferromagnesów może dostarczyć nowych informacji na temat wpływu fluktuacji kwantowych na powstawanie i ruch domen magnetycznych, pomagając w projektowaniu elektroniki nowej generacji wykorzystującej materiały antyferromagnetyczne” – powiedział Kimura.
Ich badanie zostało opublikowane w Listy z przeglądu fizycznego.
Odniesienie: „Obrazowanie i kontrola domen magnetycznych w quasi-jednowymiarowym kwantowym antyferromagnesie BaCu2Si2O7”: Masato Moromizato, Takeshi Miyake, Takatsugu Masuda, Tsuyoshi Kimura i Kenta Kimura, 22 sierpnia 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.086701
