Физик д-р Ростислав Михайловский из Ланкастерского университета сказал: «В связи с замедлением тенденций в эффективности современных технологий новые научные подходы особенно ценны. Наше открытие сверхбыстрого контроля над магнетизмом на атомной основе открывает широкие возможности для быстрых и энергоэффективных технологий обработки данных будущего, необходимых для удовлетворения нашего информационного голода."
Магнитные материалы широко используются в современной жизни с различными приложениями, от магнитов на холодильник до центров обработки данных Google и Amazon, используемых для хранения цифровой информации.
Эти материалы содержат триллионы взаимно выровненных элементарных магнитных моментов или «спинов», выравнивание которых в значительной степени определяется расположением атомов в кристаллической решетке.
Вращение можно рассматривать как элементарную «стрелку компаса», обычно изображаемую в виде стрелки, показывающей направление от северного полюса к южному. В магнитах все спины выровнены в одном направлении под действием силы, называемой обменным взаимодействием. Обменное взаимодействие – один из сильнейших квантовых эффектов, ответственный за само существование магнитных материалов.
Постоянно растущий спрос на эффективную магнитную обработку данных требует новых средств для управления магнитным состоянием, а управление обменным взаимодействием было бы наиболее эффективным и, в конечном счете, самым быстрым способом управления магнетизмом.
Чтобы добиться этого результата, исследователи использовали самый быстрый и самый сильный из доступных стимулов: возбуждение ультракоротким лазерным импульсом. Они использовали свет для оптического стимулирования определенных атомных колебаний кристаллической решетки магнита, которые сильно нарушили и исказили структуру материала.
Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature Materials международной командой из Ланкастера, Делфта, Неймегена, Льежа и Киева.
Аспирант Йоррит Гортензиус из Технического университета Делфта сказал: «Мы оптически встряхиваем решетку магнита, которая состоит из чередующихся небольших магнитных моментов вверх и вниз и, следовательно, не имеет суммарной намагниченности, в отличие от знакомых магнитов на холодильник."
После встряхивания кристалла в течение очень короткого периода времени исследователи измерили, как магнитные свойства меняются непосредственно во времени. После встряхивания магнитная система антиферромагнетика изменяется, так что возникает суммарная намагниченность: на какое-то время материал становится похожим на обычные магниты на холодильник.
Все это происходит за беспрецедентно короткое время – менее нескольких пикосекунд (миллионных долей миллионной секунды). Это время не только на порядки меньше, чем время записи на жестких дисках современных компьютеров, но и точно соответствует фундаментальному пределу для переключения намагниченности.
Доктор Ростислав Михайловский из Ланкастерского университета объясняет: «Долгое время считалось, что управление магнетизмом с помощью атомных колебаний ограничивается акустическими возбуждениями (звуковыми волнами) и не может быть быстрее наносекунд.
Мы сократили время переключения магнитов в 1000 раз, что само по себе является важной вехой."
Д-р Дмитрий Афанасьев из Делфтского технического университета добавляет: «Мы считаем, что наши открытия будут стимулировать дальнейшие исследования в области изучения и понимания точных механизмов, управляющих сверхбыстрым решеточным контролем магнитного состояния."