W klasycznej fizyce wszystko opiera się na prostej zasadzie: każda akcja wywołuje równą i przeciwną reakcję. Ale co, jeśli światło sprawi, że ten porządek się rozsypie? Zespół z Institute of Science Tokyo, Okayama University i Kyoto University pod kierunkiem dr Ryo Hanaia twierdzi, że w odpowiednich warunkach można wywołać w metalu magnetycznym oddziaływania, które tej zasady nie przestrzegają. Ich odkrycie, opisane w Nature Communications, otwiera zupełnie nowy rozdział w fizyce materii kwantowej.
Naukowcy odkryli, że światło o precyzyjnie dobranej częstotliwości potrafi zaburzyć równowagę wśród spinów elektronów w metalu. Jedne z nich zaczynają pochłaniać energię, inne pozostają “uśpione”, przez co system przestaje zachowywać się symetrycznie. W efekcie powstaje zjawisko przypominające pościg: spin A próbuje ustawić się równolegle do spinu B, a spin B ucieka, ustawiając się odwrotnie.
Światło inicjuje ferromagnetyczny taniec, którego nikt się nie spodziewał
Ten osobliwy “pościg spinów” przypomina zachowania znane raczej z biologii niż z fizyki – jak zorganizowany lot ptaków czy ruch ławicy ryb. W świecie materiałów kwantowych to absolutna nowość. Gdy badacze zastosowali tę zasadę do dwóch cienkich warstw ferromagnetyka, zaobserwowali coś jeszcze bardziej niezwykłego: spontaniczną, nieustanną rotację namagnesowania. Dwie warstwy zaczynają obracać się względem siebie w niekończącej się, samonapędzającej pogoni.
Czytaj też: Japonia stworzyła magnes do fuzji jądrowej. Dzieli nas już tylko krok od czystej energii
Ten stan, nazwany fazą chiralną, jest jednym z najbardziej osobliwych przejawów naruszenia symetrii w fizyce ciała stałego. Jeszcze bardziej zaskakujące jest to, że nowy porządek może być wzmacniany przez wzrost temperatury. Zazwyczaj ciepło niszczy uporządkowanie materii, tymczasem tutaj chaos termiczny działa odwrotnie – stabilizuje fazę, w której trwa nieustanny ruch.
Żeby zjawisko zaszło, potrzeba ogromnej mocy światła – około 100 milionów W na cm2. Wbrew pozorom, jest to poziom osiągalny dla współczesnych laserów. Co ważne, taka intensywność nie niszczy materiału, a jedynie “wprawia go w ruch”.
Parametry potrzebne do wywołania efektu są typowe dla wielu znanych metali magnetycznych: energia elektronów około 1 eV, współczynnik tłumienia 0,01, szerokość poziomu energetycznego 10 meV. To oznacza, że nie potrzeba egzotycznych materiałów – wystarczy precyzyjne sterowanie światłem.
Hanai i jego zespół podkreślają, że mechanizm nie zależy od konkretnego rodzaju metalu. Wystarczy obecność tzw. wirtualnego stanu o wysokiej energii, który może pośredniczyć w interakcji między spinami. Ta prostota czyni zjawisko niezwykle uniwersalnym.
Odkrycie może mieć praktyczne znaczenie znacznie szersze niż tylko zrozumienie podstawowych zasad fizyki. Jeśli uda się potwierdzić te efekty eksperymentalnie, możliwe stanie się tworzenie urządzeń spintronicznych – elektroniki opartej nie na przepływie ładunku, ale na kontrolowaniu spinu elektronów.
Sterowanie spinami światłem mogłoby prowadzić do powstania oscylatorów o regulowanej częstotliwości, a także do manipulowania stanami kwantowymi w izolatorach Motta czy nadprzewodnikach wielopasmowych. Innymi słowy: światło stałoby się kluczem do nowego typu materiałów, w których można kontrolować porządek magnetyczny z niespotykaną dotąd precyzją.