Stralend licht op tweedimensionale magneten

Atomair dunne Van der Waals-magneten worden algemeen gezien als de ultieme compacte media voor toekomstige magnetische gegevensopslag en snelle gegevensverwerking. Het is echter moeilijk gebleken om de magnetische toestand van deze materialen in realtime te beheersen. Maar nu is een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) erin geslaagd om licht te gebruiken om de anisotropie van een van der Waals-antiferromagneet on-demand te veranderen, wat de weg vrijmaakt voor nieuwe, uiterst efficiënte middelen voor gegevensopslag .

De dunne atomaire lagen waaruit Van der Waals-magneten bestaan, lijken misschien extreem kwetsbaar, maar ze kunnen ongeveer 200 keer sterker zijn dan staal. Helaas vertaalt deze mechanische sterkte zich niet noodzakelijk in sterke magnetische eigenschappen. De reden hiervoor is dat, in twee dimensies, de magnetische orde van deze magneten bijzonder kwetsbaar wordt voor warmte. Elke temperatuur boven het absolute nulpunt (-273 °C) activeert willekeurige fluctuaties in de oriëntatie van de microscopische spins, die de magnetische orde volledig kunnen instorten. Dus totdat we hun magnetische toestand kunnen beheersen, zijn de beloften van atomair dunne magneten precies dat: beloften.

Magnetisme beheersen

De enige manier om de thermische agitaties tegen te gaan, is door magnetische spins meer in sommige richtingen in het materiaal te plakken dan in andere. Of, zoals natuurkundigen het noemen: magnetische anisotropie induceren. Hierdoor wordt het moeilijker voor spins om hun oriëntatie te veranderen, waardoor hun besteltemperatuur (bekend als de Curie-temperatuur) ver boven het absolute nulpunt stijgt. Het beheersen van anisotropie in laagdimensionale magneten, met andere woorden, effent een directe weg naar het regelen van hun besteltemperatuur en dus het magnetisme zelf.

In hun onderzoek gebruikte het internationale team, dat bestond uit onderzoekers uit Nederland, Spanje en Oekraïne, ultrakorte lichtpulsen, een biljoen keer korter dan een enkele seconde, om de magnetische anisotropie in een tweedimensionale van der Waals-antiferromagneet te induceren. Waarom licht gebruiken? “Omdat het een erg handige bedieningsknop is”, legt Dr. Andrea Caviglia uit. “Je kunt het eenvoudig en snel aan- en uitzetten en zo de anisotropie op aanvraag manipuleren, en dat is precies wat we nodig hebben als we deze materialen willen gaan gebruiken voor efficiënte gegevensopslag.”

De kleur afstemmen

Door de kleur van het licht systematisch te variëren van zichtbaar tot nabij-infrarood, ontdekten de wetenschappers ook dat niet elk type licht magnetische anisotropie kan genereren. Om deze eigenschap te induceren, moet de kleur van het licht overeenkomen met de energie die nodig is om de orbitale toestand van het elektron te veranderen. Dat wil zeggen: de manier veranderen waarop elektron rond een positief geladen kern wervelt. Omdat de elektronspin en zijn orbitale beweging nauw met elkaar verbonden zijn, induceren de lichtexcitaties anisotropie, wat resulteert in een tweedimensionale spingolfbeweging. “Deze beweging is coherent – het hele spin-ensemble beweegt in fase bij hoge frequenties”, zegt Jorrit Hortensius, een Ph.D. student aan de TU Delft. “Dit is een elegante en tegelijkertijd vrijwel universele oplossing voor het manipuleren van magnetische anisotropie in praktisch elke tweedimensionale magneet.”

In dit proof-of-principle-experiment toonde het team aan dat anisotropie gedurende een kleine fractie van de tijd door licht kan worden geïnduceerd, bijna hetzelfde als de duur van de lichtpuls. Voor praktische toepassingen moeten de veranderingen aan de magneet echter voor een langere periode worden volgehouden. De wetenschappers hopen dat lichtpulsen met een langere duur kunnen helpen om dit doel te bereiken. Dr. Dmytro Afanasiev, die momenteel aan de Universiteit van Regensburg werkt, zegt: “We hopen dat langere lichtpulsen zelfs de magnetische orde boven de evenwichtsordeningstemperatuur kunnen bevorderen, zodat we in realtime kunnen zien hoe de geordende toestand ontstaat uit magnetische chaos Dit zal ons begrip van magnetisme in deze van der Waals-magneten zeker vergroten.”

De studie is gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang.