Voorstelling van elektronspin, maar dat hoeft niet per se de ‘spin’ te verklaren (afb: WikiMedia Commons)

Onderzoekers van, onder meer, het MIT in Cambridge (VS) zijn er in geslaagd om met terahertzlicht materiaal ‘langdurig’ antiferromagnetisch te maken. Daarmee zouden toepassingen binnen handbereik komen op het gebied van (ook optische) informatieverwerking en geheugentechnologie.
De onderzoekers gebruikten een terahertzlaser (tera=10¹²) om atomen in een antiferromagnetisch materiaal direct aan te slaan. De trillingen van de laser zijn afgestemd op de natuurlijke trillingen tussen de atomen van het materiaal, op een manier waarop de balans van kernspins verschuift naar een nieuwe, antiferromagnetische toestand. Dat zou handig zijn voor het ‘sturen’ van antiferromagnetische materialen in digitale apparatuur.
In gewone (ferro)magneten wijzen de kernspins in dezelfde richting. Antiferromagneten daarentegen bestaan ​​uit atomen met afwisselende spins, die elk in de tegenovergestelde richting van hun buurman wijzen. Deze volgorde omhoog, omlaag, omhoog, omlaag heft het effect van de spins op, waardoor antiferromagneten netto niet magnetisch zijn en dus ongevoelig voor magnetische aantrekkingskracht.

Als een geheugenchip van antiferromagnetisch materiaal zou kunnen worden gemaakt, zouden gegevens kunnen worden ‘geschreven’ in microscopische gebiedjes van het materiaal. Een bepaalde configuratie van spinoriëntaties (bijvoorbeeld omhoog-omlaag) in zo’n domein zou de klassieke nulbit vertegenwoordigen en een andere configuratie (omlaag-omhoog) de een. Gegevens die op zo’n chip worden geschreven, zouden geen last hebben van magnetische velden van buitenaf.

Beter

Om deze en andere redenen geloven wetenschappers dat antiferromagnetische materialen een robuuster alternatief zouden kunnen zijn voor bestaande op magnetische opslagtechnologieën zoals op harde schijven. Een groot obstakel is/was echter hoe antiferromagneten op een betrouwbare manier van de ene magnetische toestand in de ander te brengen.
“Antiferromagnetische materialen zijn robuust en worden niet beïnvloed door ongewenste verdwaalde magnetische velden”, zegt Nuh Gedik van het MIT. “Die robuustheid is echter een tweesnijdend zwaard: die ongevoeligheid voor zwakke magneetvelden maakt deze materialen moeilijk te sturen.”

Met behulp van terahertzlicht konden de onderzoekers een ​​antiferromagneet op een beheerste manier naar een andere magnetische toestand schakelen. Antiferromagneten zouden dienst kunnen doen in toekomstige geheugenchips die meer gegevens opslaan en verwerken, terwijl ze minder energie verbruiken en een fractie van de ruimte innemen van bestaande geheugenchips, mede door de stabiliteit van magnetische domeinen.
“Over het algemeen zijn dergelijke antiferromagnetische materialen niet eenvoudig te sturen”, zegt Gedik. “Nu hebben we een aantal knoppen om ze te kunnen afstemmen en sturen.”

‘Veertjes’

Bij dit onderzoek werkten de onderzoekers met ijzerfosoforsulfide (FePS₃) dat bij 118 K (-155°C) antiferromagnetisch wordt. “In elke vaste stof kun je je voorstellen dat atomen periodiek zijn gerangschikt en tussen de atomen zitten kleine veertjes”, legt medeonderzoeker Alexander von Hoegen (ook MIT) uit. “Als je aan één atoom zou trekken, zou het trillen op een karakteristieke frequentie die doorgaans in het terahertzbereik ligt.”
De manier waarop atomen trillen, hangt ook samen met de manier waarop hun spins met elkaar wisselwerken. Het team redeneerde dat als ze de atomen konden stimuleren met een terahertzbron die trilt op dezelfde frequentie als de collectieve trillingen van de atomen, fononen genoemd, het effect ook de spins van de atomen uit hun perfect gebalanceerde, magnetisch afwisselende uitlijning zou kunnen duwen.
Als ze eenmaal uit balans zijn, zouden atomen grotere spins in de ene richting moeten hebben dan in de andere, waardoor een voorkeursoriëntatie ontstaat die het inherent niet-gemagnetiseerde materiaal in een nieuwe magnetische toestand met eindige magnetisatie zou verschuiven. “Het idee is dat je twee vliegen in één klap kunt slaan: je wekt de terahertztrillingen van de atomen op, die ook aan de spins worden gekoppeld”, zegt Gedik.

Ze plaatsten het monster in een vacuümkamer en koelden dat af tot temperaturen van 118 K en lager. Vervolgens genereerden ze een terahertzpuls door een bundel nabij-infrarood licht door een organisch kristal te richten, dat het licht transformeerde in de terahertz-frequenties. Vervolgens richtten ze dit terahertzlicht op het monster.
Om te bevestigen dat de puls een verandering in het magnetisme van het materiaal veroorzaakte, richtten ze ook twee nabij-infraroodlasers op het monster, elk met een tegengestelde circulaire polarisatie. Als de terahertzpuls geen effect had, zouden de onderzoekers geen verschil moeten zien in de intensiteit van de uitgezonden infraroodlasers.
Tijdens herhaalde experimenten zagen ze dat een terahertzpuls het voorheen antiferromagnetische materiaal succesvol naar een nieuwe magnetische toestand schakelde. Die overgang bleef verrassend lang gehandhaafd, enkele milliseconden, zelfs nadat de laser was uitgeschakeld. “De door licht geïnduceerde faseovergangen zijn al eerder in andere systemen gezien, maar die duren doorgaans heel kort, in de orde van een picoseconde, wat een biljoenste van een seconde is,” zegt Gedik.

In slechts een paar milliseconden hebben de onderzoekers de tijd waarin ze de eigenschappen van de tijdelijke nieuwe toestand kunnen onderzoeken voordat deze terugvalt naar antiferromagnetisme. Dan kunnen ze misschien nieuwe knoppen om aan te draaien achterhalen om antiferromagneten aan te passen en het gebruik ervan voor allerlei toepassingen te optimaliseren.

Bron: Science Daily