Исследователи из Базельского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH) продемонстрировали способ изменять полярность особого ферромагнетика с помощью сфокусированного лазерного луча. Это открытие прокладывает путь к будущему, в котором свет можно будет использовать для проектирования и реконфигурации электронных схем непосредственно на чипе.
Ферромагнетики, такие как обычные магниты на холодильнике, обязаны своими свойствами согласованному поведению огромного числа крошечных магнитных моментов внутри материала. У каждого электрона есть свойство под названием «спин», которое создает очень слабое магнитное поле. Когда множество этих спинов выстраиваются в одном направлении, их суммарный эффект создает сильный и стабильный магнит. Такое выравнивание происходит только при достаточно низких температурах, когда взаимодействия между спинами преодолевают хаотичное тепловое движение.
Как правило, чтобы развернуть полюса магнита, его необходимо нагреть выше критической температуры. При нагреве упорядоченная структура спинов разрушается, позволяя им переориентироваться. Когда материал снова остывает, спины занимают новое коллективное положение, и полярность магнита меняется. Команда под руководством профессора Томаша Смоленского и профессора Атача Имамоглу добилась этой переориентации исключительно с помощью света, не повышая температуру материала. Результаты их работы опубликованы в престижном научном журнале Nature.
Для своего эксперимента ученые создали особый материал, состоящий из двух атомно-тонких слоев полупроводника – дителлурида молибдена. Эти слои уложены друг на друга с небольшим угловым смещением, что и придает материалу необычные электронные свойства. В такой «скрученной» структуре электроны могут организовываться в так называемые топологические состояния. Их можно сравнить с геометрическими фигурами: как невозможно превратить шар в бублик, не проделав в нем отверстие, так и топологические состояния принципиально различны и не могут плавно переходить одно в другое.
В ходе экспериментов исследователи смогли переключать электроны между топологическими состояниями, которые ведут себя как изоляторы, и теми, что проводят ток подобно металлам. В обоих случаях взаимодействия между электронами заставляли их спины выстраиваться параллельно, создавая ферромагнитное состояние. «Наш главный результат в том, что мы можем использовать лазерный импульс для изменения коллективной ориентации спинов», – говорит Оливье Хубер, один из авторов исследования. В отличие от предыдущих работ, где светом удавалось управлять лишь отдельными спинами, это исследование демонстрирует переключение полярности всего ферромагнетика целиком. Этот эффект оказался не только постоянным, но и зависящим от топологии материала.
Лазер не просто переворачивает магнит. Он также способен создавать новые внутренние границы внутри микроскопического материала, формируя области с заданными топологическими и магнитными свойствами. Поскольку процесс обратим и управляем, ученые могут динамически контролировать состояние системы. Чтобы убедиться, что крошечный ферромагнит размером всего в несколько микрометров действительно сменил полярность, команда направляла на него второй, более слабый лазер и анализировала отраженный свет. В будущем, по словам ученых, этот метод позволит оптически «записывать» произвольные и адаптируемые топологические схемы прямо на чипе, что открывает новые возможности для создания сверхчувствительных сенсоров, способных обнаруживать крайне слабые электромагнитные поля.
