巴塞爾大學和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員展示了一種使用聚焦雷射光束反轉特殊鐵磁體極性的方法。技術進步預示著未來可以利用光直接在晶片上設計和重新配置電子電路。
鐵磁性由於磁矩小而起作用。材料中的許多物體一致移動。每個電子都有一種稱為自旋的特性，它會產生一個非常小的磁場。當同一方向多次旋轉時，綜合效果會產生強大而穩定的磁鐵。它就像指南針或冰箱門上的磁鐵。
當旋轉交互作用足夠強以克服隨機熱運動時，就會發生這種對齊。這些協調反應低於特定的臨界溫度。且材料變成鐵磁性的。
一般來說，反轉磁體的極性需要加熱到臨界溫度以上。在較高溫度下有序排列會被破壞。這允許重新排列自旋。當材料再次冷卻時，自旋將沿著新方向下降。而磁鐵指向不同的方向。
雷射開關無需加熱
由巴塞爾大學的 Tomasz Smoleński 教授和蘇黎世聯邦理工學院的 Ataç Imamoğlu 教授領導的團隊僅使用光就成功實現了這種重新定向。他們的研究結果發表在《自然》雜誌。
「我們的工作令人興奮的是，我們在一個實驗中結合了現代凝聚態物理學的三大主題：電子、拓樸和動態控制之間的強相互作用，」伊瑪莫魯說。
為了實現這一效果，研究人員使用了一種精心設計的材料，該材料由兩層薄層二碲化鉬原子（一種有機半導體）組成。這些層彼此堆疊，層與層之間存在輕微的扭曲。這些細節會導致異常的電子行為。
拓樸態和扭曲量子材料
在這種扭曲結構中，電子可以排列成任何拓樸狀態。這些狀態可以用一個簡單的類比來理解。球沒有洞。同時，甜甜圈有洞。改變球的形狀多少並不重要。如果不切割或撕開它，就無法將其變成甜甜圈。同樣，拓樸狀態也有本質上的不同，並且不能順利地相互轉換。
在斯莫倫斯基和伊瑪莫魯監督的實驗中，研究人員能夠在充當絕緣體和電導體（如金屬）的拓撲狀態之間調整電子。在這兩種情況下，電子之間的相互作用導致它們的自旋彼此平行排列。導致鐵磁態
與 Kilian Kuhlbrodt 和 Tomasz Smoleński 一起進行測量的 ETH 博士生 Olivier Huber 說：「我們的主要結果是我們可以使用雷射脈衝來改變整體旋轉方向。雖然之前的工作表明單個電子的自旋可以用光來操縱，但事實並非如此。但這項研究同時顯示了鐵磁去極化。」「切換是永久性的。」「切換是永久性的。不僅如此，拓樸還會影響動態變化，」斯莫倫斯基說。
磁態動態控制
雷射的作用不僅僅是翻轉磁鐵。它們還可以在微觀材料中定義新的內部邊界。這創建了一個存在拓樸鐵磁態的區域。這是因為該過程是可重複的。因此，研究人員能夠動態控制系統的磁性和拓撲特性。
證實直徑只有幾微米的微小鐵磁體的極性確實可以逆轉。然後研究小組向它發射了第二束較弱的雷射光束。透過分析反射光，他們可以確定電子自旋的方向。
「未來，我們將能夠使用我們的方法在晶片上編寫任意且適應性強的拓撲電路，」斯莫倫斯基說。這種電路可以包括可以檢測非常小的電磁場的小型乾涉儀。這為精確檢測技術開啟了新的機會。
