Представьте, что можно изменить материал так, чтобы он казался совершенно другим. Не требуется волшебной палочки или особого зелья – только свет. Физики обнаружили новый способ, позволяющий свету изменять фундаментальную природу материи. Используя лазерные импульсы для возбуждения пар магнонов – крошечных магнитных волн внутри кристалла – исследователи смогли изменить магнитный «отпечаток» материала без нагрева или использования редких элементов. Этот процесс происходит при комнатной температуре и открывает двери для хранения и передачи информации с терагерцовыми скоростями.
Когда свет взаимодействует с материалом, он возбуждает его магнитные состояния, вызывая коллективные магнитные колебания. Эти вибрации способны передавать и хранить информацию с невероятной скоростью. Весь процесс происходит при комнатной температуре и не производит почти никакого тепла. Более того, он не зависит от редких или экзотических материалов: ученые наблюдали этот эффект в обычных, широко доступных природных кристаллах. Теперь представьте, что тот же подход можно использовать для доступа к квантовым эффектам – явлениям настолько хрупким, что их обычно наблюдают только вблизи абсолютного нуля (около –270 градусов Цельсия) – но делать это при комнатной температуре, без дорогостоящих систем охлаждения.
Это может звучать как научная фантастика, но данный прорыв реален. Команда физиков из Университета Констанца под руководством Давиде Боссини разработала экспериментальную методику, которая делает это возможным. Используя лазерные импульсы для когерентного возбуждения пар магнонов (квантов спиновых волн), исследователи достигли поразительных эффектов, способных повлиять как на информационные технологии, так и на квантовые исследования. Их выводы были опубликованы в журнале Science Advances.
Прежде чем углубляться, важно понять, что такое магноны и почему они важны. Современный мир генерирует огромные объемы данных благодаря искусственному интеллекту и «Интернету вещей». Наши текущие информационные системы уже испытывают колоссальное давление, и «узкое место» в обработке данных грозит замедлить технологический прогресс. Одним из предлагаемых решений является использование спинов электронов – или, что еще лучше, волн множества спинов, движущихся согласованно – для передачи информации. Эти коллективные спиновые колебания называются магнонами. Они ведут себя как волны и могут управляться лазерами, потенциально обеспечивая передачу и хранение данных на терагерцовых частотах.
До сих пор ученые могли возбуждать магноны светом только на их самых низких частотах, что ограничивало их потенциал. Чтобы использовать магноны для будущих технологий, исследователи должны уметь настраивать их частоту, амплитуду и время жизни. Команда из Констанца теперь нашла способ сделать именно это. Непосредственно возбуждая пары магнонов – высокочастотные магнитные резонансы в материале – они обнаружили мощную новую форму управления.
«Результат стал для нас огромным сюрпризом. Ни одна теория никогда не предсказывала этого», – отмечает Давиде Боссини. Процесс не только работает, но и имеет впечатляющие последствия. Возбуждая высокочастотные пары магнонов с помощью лазерных импульсов, физики смогли нетепловым способом изменять частоты и амплитуды других магнонов, и, следовательно, магнитные свойства материала. «Каждое твердое тело имеет свой собственный набор частот: электронные переходы, колебания решетки, магнитные возбуждения. Каждый материал резонирует по–своему», – объясняет Боссини. Именно этот набор частот можно изменять с помощью нового процесса. «Это меняет природу материала, так называемую «магнитную ДНК» материала, его «отпечаток». На время он практически становится другим материалом с новыми свойствами», – говорит Боссини.
«Эффекты не вызваны лазерным нагревом. Причиной является свет, а не температура», – подтверждает Боссини. – «Мы можем изменять частоты и свойства материала нетепловым способом». Преимущества очевидны: метод может быть использован для будущего хранения данных и для быстрой передачи информации на терагерцовых скоростях без замедления систем из-за накопления тепла.
Для этого процесса не требуются ни впечатляющие высокотехнологичные материалы, ни редкие земли, а используются природные кристаллы – а именно железорудный гематит. «Гематит широко распространен. Столетия назад его уже использовали для компасов в мореплавании», – поясняет Боссини. Вполне возможно, что гематит теперь будет использоваться и для квантовых исследований. Результаты команды из Констанца предполагают, что с помощью нового метода исследователи смогут создавать индуцированные светом конденсаты Бозе–Эйнштейна высокоэнергетических магнонов при комнатной температуре. Это открыло бы путь для изучения квантовых эффектов без необходимости обширного охлаждения. Звучит как магия, но это всего лишь технологии и передовые исследования.
Проект был реализован в рамках Совместного исследовательского центра SFB 1432 «Флуктуации и нелинейности в классической и квантовой материи вне равновесия».
