バーゼル大学とチューリッヒ工科大学の研究者らは、レーザービームを使用して特殊な強磁性体の極性を変えることに成功した。将来的には、この方法を使用して、光を使って適応可能な電子回路を作成できる可能性があります。
強磁性体では、結合した力が作用します。コンパスの針が北を指すようにしたり、冷蔵庫の磁石が冷蔵庫のドアにくっついたりするためには、無数の電子が内部で回転し、それぞれが小さな磁場を生成するだけで、すべてが同じ方向に並ぶ必要があります。これはスピン間の相互作用によって起こりますが、この相互作用は強磁性体の内部の無秩序な熱運動よりも強くなければなりません。材料の温度が臨界値を下回ると、材料は強磁性になります。
逆に、強磁性体の極性を変えるには、通常、まず臨界温度以上に加熱する必要があります。その後、電子スピンは自らの向きを変えることができ、冷却後、強磁性体の磁場は最終的に異なる方向を向きます。
バーゼル大学のトマシュ・スモレンスキー教授とチューリッヒ工科大学のアタシュ・イマモール教授が率いる研究チームは、加熱せずに-光だけを使用して-このような方向転換を実現することに成功した。彼らはその結果を自然.
相互作用とトポロジー
「私たちの研究で興味深いのは、電子間の強力な相互作用、トポロジー、動的制御という現代の物性物理学の 3 つの大きなトピックを 1 つの実験で組み合わせていることです」とイマモール氏は言います。
これを達成するために、研究者らは、相互にわずかにねじれた有機半導体二テルル化モリブデンの 2 つのウェーハ状の薄い層からなる特別な材料を使用しました。{0}
このような材料では、いわゆるトポロジカル状態が形成されることがあります。-簡単に言えば、トポロジカル状態は、ボール (穴なし) またはドーナツ (穴 1 つ) のような外観に基づいて特徴付けることができます。重要なのは、ボールを単純に変形するだけではドーナツに変えることはできないということです。これは、位相状態が明確かつ永続的に定義されることを意味します。
Smoleński と Imamoğlu が共同監督した新しい実験では、絶縁性のトポロジカル状態と導電性の金属状態の間で電子を調整することができました。{0}注目すべきことに、相互作用により両方の状態の電子スピンが互いに平行に整列し、材料が強磁性体に変わります。
「私たちの主な成果は、レーザーパルスを使用してスピンの集合的な向きを変えることができるということです」と、オリビエ・フーバー博士は言う。 ETHの学生で、同僚のキリアン・クールブロート氏とトマシュ・スモレンスキー氏と一緒に実験を実施した。数年前には、これは単一の電子に対してすでに行われていましたが、現在では、強磁性体全体の極性の「切り替え」または変更が実現されています。
「この切り替えは永続的であり、さらに、トポロジは切り替えのダイナミクスに影響を与えます」と Smoleński 氏は言います。
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強磁性体の動的制御
このように、レーザーパルスを使用して新しい境界線を引くこともでき、その境界線の内側にトポロジカル強磁性状態が配置されます。これを繰り返し行うことができるため、トポロジー特性と強磁性特性の動的制御が可能になります。
サイズがわずか数マイクロメートルの小さな強磁性体が実際にその極性を変えたことを示すために、研究者らは、2番目のはるかに弱いレーザービームの反射を測定した。この反射により、電子スピンの方向が明らかになりました。
「将来的には、私たちの方法を使用して、任意の適応可能なトポロジー回路をチップ上に光学的に書き込むことができるようになるでしょう」と Smoleński 氏は言います。このアプローチを使用して、非常に小さな電磁場を測定できる小型の干渉計を作成することができます。
