巴塞爾大學和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員示範如何使用聚焦雷射光束反轉專用鐵磁體的極性。這項突破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。
鐵磁體之所以起作用，是因為大量的小磁矩在材料內一起移動。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。當許多匝沿同一方向對齊時，它們的綜合效應會產生強大而穩定的磁鐵，就像指南針或冰箱門中的磁鐵一樣。
只有當自旋之間的相互作用足夠強以克服隨機熱運動時，才會發生這種對齊。低於特定的臨界溫度，這些協調相互作用占主導地位，並且材料變成鐵磁性的。
通常，改變磁鐵的極性需要將其加熱到該臨界溫度以上。在較高的溫度下，有序排列會被破壞，使自旋重新排列。當材料再次冷卻時，自旋會形成新的集體方向，磁鐵會指向不同的方向。
雷射無熱變化
由巴塞爾大學的 Tomasz Smoleński 博士和蘇黎世聯邦理工學院的 Ataç Imamoğlu 博士領導的團隊僅使用光就實現了這種重新定向，而無需提高溫度。他們的研究結果發表在《自然》雜誌。
「我們工作中令人興奮的事情是，我們將現代凝聚態物理的三大主題結合在一個實驗中：電子、拓撲和動力學控制之間的強相互作用，」伊瑪莫格魯說。
為了實現這一目標，研究人員使用了由有機半導體二氯化鉬的兩層原子薄層製成的大型材料。這些層以輕微的扭曲方式堆疊在一起，這一細節創造了不尋常的電子行為。
拓樸態和扭曲量子材料
在這種扭曲的結構中，電子可以排列成所謂的拓樸狀態。這些情況可以透過一個簡單的類比來理解。球沒有洞，而甜甜圈有洞。無論你如何改變球的形狀，如果不切割或撕裂它，你就無法將其變成甜甜圈。同樣，拓樸狀態本質上是不同的，並且不能順利地相互轉換。
在史莫林斯基和伊瑪莫格魯監督的實驗中，研究人員能夠在充當絕緣體和像金屬一樣導電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平行排列，形成鐵磁態。
「我們的主要結果是，我們可以使用雷射脈衝來改變自旋的集體方向，」與 Kilian Kuhlbrodt 和 Tomasz Smoleński 一起進行測量的 ETH 博士生 Olivier Huber 說道。雖然先前的工作表明可以用光操縱單一電子自旋，但這項研究表明整個鐵磁體的極性可以同時改變。 「這種變化是永久性的，而且，拓撲會影響變化的動態，」斯莫倫斯基說。
磁態的動態控制
雷射的作用不僅僅是翻轉磁鐵。它也可以在微觀材料內定義新的內部邊界，創造存在拓樸鐵磁態的區域。由於這個過程是可重複的，研究人員可以動態控制系統的磁性和拓撲特性。
為了確認直徑只有幾微米的微小鐵磁體確實反轉了極性，研究團隊向它發射了第二個較弱的雷射光束。透過分析反射光，他們將能夠確定電子自旋的方向。
「將來，我們將能夠使用我們的方法在晶片上以光學方式寫入任意自適應拓撲電路，」Smoleński 說。此類電路可能包括能夠檢測非常小的電磁場的微型乾涉儀，為精密感測技術開闢了新的可能性。
