Потенциал квантовых технологий огромен, но сегодня он ограничен крайне холодной средой лабораторий. Исследователям из Стокгольмского университета Северного института теоретической физики удалось впервые продемонстрировать, как лазерный свет может вызвать квантовое поведение при комнатной температуре и сделать немагнитные материалы магнитными. Ожидается, что этот прорыв проложит путь к более быстрым и энергоэффективным компьютерам, передаче информации и хранению данных.
Считается, что в течение нескольких десятилетий развитие квантовых технологий произведет революцию в наиболее важных для общества областях и откроет путь к совершенно новым технологическим возможностям в области связи и энергетики.
Особый интерес для исследователей в этой области представляют своеобразные и причудливые свойства квантовых частиц, которые полностью отклоняются от законов классической физики и могут делать материалы магнитными или сверхпроводящими. Расширение понимания того, как и почему возникают квантовые состояния такого типа, позволит контролировать и манипулировать материалами для получения квантово-механических свойств.
До сих пор ученым удавалось вызывать квантовое поведение, такое как магнетизм и сверхпроводимость, только при очень низких температурах. Поэтому потенциал квантовых исследований был ограничен лабораторными условиями.
Группа ученых впервые в мире продемонстрировала в эксперименте, как лазерный свет может вызывать магнетизм в немагнитном материале при комнатной температуре. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые подвергли квантовый материал титанат стронция воздействию коротких, но интенсивных лазерных лучей с особой длиной волны и поляризацией, что привело к возникновению магнетизма.
«Инновация в этом методе заключается в том, чтобы заставить свет перемещать атомы и электроны по кругу, чтобы генерировать токи, которые делают его таким же магнитным, как магнит холодильника. Нам удалось добиться этого, разработав новый источник света в дальнем инфракрасном диапазоне с поляризацией, имеющей форму «штопора». Впервые в эксперименте получилось вызвать и четко увидеть, как материал становится магнитным при комнатной температуре. Кроме того, наш подход позволяет создавать магнитные материалы из многих изоляторов, в то время как магниты обычно делают из металлов. В долгосрочной перспективе это открывает совершенно новые возможности для применения в обществе», – говорит руководитель исследования Стефано Бонетти из Стокгольмского университета и Венецианского университета Ка' Фоскари.
Метод основан на теории «динамической мультиферроичности», которая предсказывает, что при «перемешивании» атомов титана циркулярно поляризованным светом в оксиде на основе титана и стронция будет формироваться магнитное поле. Но только сейчас теория может быть подтверждена на практике. Ожидается, что прорыв найдет широкое применение в нескольких информационных технологиях.
«Это открывает возможности для создания сверхбыстрых магнитных переключателей, которые можно будет использовать для передачи информации и значительно лучшего хранения данных, а также для компьютеров, которые будут быстрее и энергоэффективнее», – говорит Александр Балацкий, профессор физики в NORDITA.
Результаты работы команды уже воспроизведены в нескольких других лабораториях, а значит, этот подход может быть использован для записи и хранения магнитной информации. Открыта новая глава в создании новых материалов с использованием света.
[Фото: Knut and Alice Wallenbergs Foundation/Magnus Bergström]
