Фізикам вдалося вплинути на магнітні властивості оксидів заліза шляхом маніпуляції лазерними світловими імпульсами. Вони з’ясували, що обмінна взаємодія, яка лежить в основі магнетизму, може бути контрольована світлом завдяки слабкій взаємодії лігандів та іонів металу. Результати роботи фізики описали у статті, опублікованій в журналі Physical Review Letters.
Від чого залежить магнетизм?
В магнітах всі спіни вирівняні в одному напрямку під дією обмінної взаємодії. Вона не є не є окремим типом взаємодії, на кшталт гравітаційної, сильної чи слабкої, та є винятково квантовим явищем, проте саме вона визначає магнітні властивості, змушуючи електрони із однаковою орієнтацією спінів відштовхуватись або притягатись.
Тому управління цією обмінною взаємодією було б найбільш ефективним і найшвидшим способом управління магнетизмом. Однак, наявні теоретичні моделі не дозволяють описати зміну такого обміну в матеріалах, оскільки потребують точного опису динаміки взаємодії електронної, фононної та спінової підсистем. У своїй роботі фізики продемонстрували вплив світла на обмінну взаємодію, маніпулюючи зв’язком лігандів та іонів металу.
Як фізики пов’язали світло та магнетизм?
Вчені вирішили звернутись до теорії будови сполук перехідних металів - теорії кристалічного поля. Вона пояснює магнітні властивості матеріалів через слабку взаємодію , шляхом впливу на його енергію d-орбіталей. У міру наближення лігандів, тобто пари пов’язаних між собою донорно-акцепторним механізмом атомів, до іона металу, виникає розщеплення d-орбіталей. Електрони ліганду стають ближчими до одних d-орбіталей більше, ніж до інших, викликаючи відштовхування, як у зарядах з однаковим знаком. Така взаємодія не викликала уваги вчених через свою слабкість, проте у своїй роботі фізики вирішили спробувати вплинути на ербій ферум оксид (ErFeO3) саме через ці процеси в його структурі.
Що їм вдалось з’ясувати?
Вчені відкрили новий спосіб маніпулювати магнітами за допомогою лазерних світлових імпульсів: регулюючи довжину хвилі або колір світла, вони змогли посилювати чи зменшувати ефекти обмінної взаємодії. Щоб підтвердити свою теорію, дослідники використовували найпотужніший з доступних стимулів - збудження ультракоротким лазерним імпульсом. Систематично змінюючи колір збуджуючих лазерних імпульсів від червоного до синього, вони зафіксували вплив довжини хвилі світла на магнетизм є найсильнішим.
Щоб зафіксувати цей процес, фізикам потрібен був надшвидкий магнітометр - пристрій, який зможе відстежувати динаміку спінів з роздільною здатністю менше однієї трильйонної секунди. Проте, це набагато швидше, ніж дозволяє сучасна електроніка. Тому вчені вирішили фіксувати коливання спінів за їх коливаннями в терагерцових частотах. Аналізуючи їхнє випромінення, фізикам вдалося зафіксувати динаміку змін, викликаних впливом лазера.
Наступним кроком є систематичні дослідження управління магнетизмом в ширшому спектральному діапазоні, щоб порівняти ефективність в далекому, середньому інфрачервоному та видимому діапазонах. Для цього вчені планують розробити лазерну систему, здатну генерувати лазерні імпульси у всіх цих частотних діапазонах.