Polski przełom w świecie magnetyzmu. Naukowcy odkryli kryształ sterowany światłem

Polscy naukowcy odkryli kryształ, którego właściwości magnetyczne można odwracalnie przełączać za pomocą światła widzialnego. To krok milowy w stronę fotoprzełączalnych nanomagnesów, które mogą zrewolucjonizować pamięć danych, sensory i technologie kwantowe.
...

Światło od zawsze było jednym z kluczowych motorów procesów biologicznych i chemicznych. W naturze to ono napędza fotosyntezę czy reakcje fotokatalityczne, a w laboratoriach pozwala badaczom projektować coraz bardziej wyrafinowane materiały. Gdy cząsteczki pochłaniają foton, ulegają chwilowym przeobrażeniom. Zwykle są one ulotne, ale w niektórych układach stan wzbudzony może utrzymywać się przez długie tygodnie, zanim powróci do normalności. Takie substancje nazywamy fotoprzełączalnymi i to właśnie one stanowią fundament nowych technologii, od pozyskiwania energii słonecznej po inteligentne systemy dostarczania leków.

Czytaj też: Altermagnetyzm. Trzeci typ magnesu może odmienić elektronikę

Dotychczas jednak większość badanych materiałów była pochodzenia organicznego i rzadko reagowała zmianą magnetyzmu na światło. Z kolei związki nieorganiczne, w których obserwowano przejścia spinowe, działały tylko w ekstremalnym chłodzie, około -200oC. To sprawiało, że ich użycie w realnych urządzeniach było praktycznie niemożliwe.

Przełom w Krakowie: kryształy sterowane światłem

Zespół z Uniwersytetu Jagiellońskiego, przy współpracy z naukowcami z Bordeaux, Europejskiego Ośrodka Synchrotronowego ESRF i kilku innych instytucji europejskich, znalazł sposób na pokonanie tej bariery. Odkryty cyjanometalan – heptacyjanomolibdenian potasu – reaguje na światło widzialne w unikalny sposób. Pod wpływem fioletowego światła w krysztale dochodzi do zerwania wiązania metal-cyjanek, a promieniowanie czerwone natychmiast je odbudowuje. Cały proces zachodzi odwracalnie i – co najważniejsze – bez niszczenia struktury kryształu.

Czytaj też: Jest nowy sposób kontrolowania magnetyzmu. Naukowcy mają co świętować

To zjawisko, rzadko spotykane w chemii ciała stałego, przekłada się bezpośrednio na zmianę momentu magnetycznego atomów metalu. Innymi słowy, światło działa tu jak przełącznik: włącza i wyłącza właściwości magnetyczne. Co istotne, udało się to osiągnąć w znacznie wyższych temperaturach niż dotąd, co stanowi ważny krok w kierunku opracowania materiałów działających w warunkach pokojowych.

Dr hab. Dawid Pinkowicz z UJ, główny autor badania, mówi:

Nikt z nas nie przypuszczał, że to faktycznie może się udać. Jednak kilka lat temu, analizując uważnie doniesienia literaturowe dotyczące reakcji fotodysocjacji w związkach kompleksowych, zorientowaliśmy się, że istnieje szansa na tego typu fotoprzełączanie. W oparciu o tą analizę i wstępne badania sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki, przygotowałem i otrzymałem grant ERC (projekt LUX-INVENTA). Celem jest właśnie uzyskanie magnesów aktywowanych światłem widzialnym w temperaturze pokojowej w oparciu o reakcje fotodysocjacji.

Odkrycie krakowskich badaczy otwiera zupełnie nowe możliwości. Fotoprzełączalne kryształy mogą stać się podstawą pamięci molekularnej, w której zapis informacji odbywa się światłem, a także czujników magnetooptycznych zdolnych wykrywać impulsy świetlne poprzez zmianę właściwości magnetycznych. Jeszcze dalej idą perspektywy wykorzystania ich w spintronice i komputerach kwantowych, gdzie kontrola nad stanami spinowymi jest jednym z kluczowych wyzwań.

Na razie przełączanie w temperaturze pokojowej pozostaje celem na przyszłość, ale już dziś badacze podkreślają, że wykonali ogromny krok. Wyniki opisane w Nature Communications pokazują, że to, co jeszcze niedawno wydawało się czystą teorią, zaczyna przybierać namacalny, praktyczny kształt.