Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Κρήτης και το Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ) στο Ηράκλειο, σε συνεργασία με το Ερευνητικό Κέντρο Ames στις ΗΠΑ, ανακάλυψαν ένα νέο τρόπο για να δημιουργήσουν μικρούς μαγνήτες χρησιμοποιώντας φως. Φωτίζοντας οξείδια του μαγγανίου-πολύπλοκα υλικά που χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη τεχνολογία-με υπερ-βραχείς παλμούς λέιζερ, κατάφεραν μέσα σε ένα δισεκατομμυριοστό του χιλιοστού του δεκάτου του δευτερολέπτου (100 φεμτο-δευτερόλεπτα, 10-13 δευτερόλεπτα) να αλλάξουν τη μαγνητική τους κατάσταση από αντιφερρομαγνήτη σε φερρομαγνήτη. Η ιδιότητα των ηλεκτρονίων που ονομάζεται σπιν, υπεύθυνη για το μαγνητισμό, χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικές συσκευές και μαγνητικές μνήμες για την κωδικοποίηση της πληροφορίας σε bits: το 0 και το 1 αντιστοιχούν σε διαφορετικές τιμές του συνολικού σπίν. Οι ερευνητές κατάφεραν να μαγνητίσουν την ύλη με ταχύτητα 1000 φορές μεγαλύτερη από αυτή στις πιο γρήγορες σημερινές μαγνητικές μνήμες ηλεκτρονικών υπολογιστών. Οι γρήγορες αλλαγές της μαγνητικής κατάστασης αποτελούν τη βάση ενός «μαγνητικού διακόπτη», με ευρείες εφαρμογές από γρήγορες μνήμες και σκληρούς δίσκους μέχρι τη συλλογή ενέργειας με μελλοντικά φωτοβολταικά συστήματα. Η ανακάλυψη του «Κβαντικού Φεμτο-Μαγνητισμού» από τις ερευνητικές ομάδες του καθηγητή Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης και ΙΤΕ Ηλία Περάκη και του επίκουρου καθηγητή Φυσικής του Πανεπιστημίου Iowa State και του Εργαστηρίου Ames των ΗΠΑ Jigang Wang ανακοινώθηκε στις 4 Απριλίου 2013 στο περιοδικό Nature 496, σελ 69 (2013). Έτσι ανοίγει πλέον ο δρόμος για τη δημιουργία συσκευών που θα λειτουργούν 1000 φορές γρηγορότερα, με ταχύτητες τουλάχιστον 10 terahertz (~1012 Hertz) αντί για 10 Gigahertz (~109 Hertz) όπως μέχρι σήμερα.
«Μια από τις προκλήσεις που αντιμετωπίζει η υλοποίηση της μαγνητικής εγγραφής, ανάγνωσης, αποθήκευσης, και επεξεργασίας δεδομένων είναι η ταχύτητα. Η τεχνολογία επιτάσσει η σημερινή ταχύτητα να αυξηθεί κατά μερικές τάξεις μεγέθους, σε πολλά terahertz. Στο μέλλον, τέτοιες συσκευές θα πρέπει να «σκέφτονται» μέσα σε απίστευτα μικρούς χρόνους μερικών φεμτο-δευτερολέπτων- δηλαδή μέσα σε δισεκατομμυριοστά του χιλιοστού του δεκάτου του δευτερολέπτου. Εμείς δείξαμε ότι μπορούν να το πετύχουν αν τις μάθομε κβαντομηχανική και τις φωτίσομε με υπερ-βραχείς παλμούς φωτός λέιζερ» λέει ο κ. Περάκης.
Στη σημερινή μαγνητο-οπτική τεχνολογία, ο παλμός λέιζερ ζεσταίνει τα άτομα και τα αναγκάζει να ταλαντώνονται. Με τη βοήθεια ενός μαγνητικού πεδίου, αυτή η θερμική ταλάντωση αλλάζει το σπιν και την κατάσταση ενός ψηφίου πληροφορίας από 0 σε 1. Έτσι γίνεται σήμερα η μαγνητική επεξεργασία της πληροφορίας.
«Η ταχύτητα μεθόδων που βασίζονται στη θερμότητα περιορίζεται από τον ελάχιστο χρόνο που χρειάζονται τα άτομα για να ταλαντωθούν και από το πόσο γρήγορα ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να αλλάξει το συνολικό σπίν των μαγνητικών περιοχών ενός υλικού» λέει ο κ. Περάκης. « Είναι πολύ δύσκολο με αυτήν την τεχνολογία να αυξηθεί η ταχύτητα πέρα από μερικές δεκάδες gigahertz, που είναι και το σημερινό όριο. Οι θερμικές διαδικασίες περιορίζουν τις δυνατότητες μας για επεξεργασία της πληροφορίας».
PT-συμμετρικά μεταϋλικά και μετα-επιφάνειες έχουν την δυνατότητα να λειτουργήσουν σε μικροκυματικές καθώς και υψηλότερες συχνότητες, να μειώσουν την απόσβεση και να προσφέρουν μεταβλητότητα των ενεργών παραμέτρων τους σε πραγματικό χρόνο. Για τον παραπάνω λόγο, η προσοχή κάποιων επιστημόνων στράφηκε τελευταία σε υλικά όπως τα οξείδια του μαγγανίου, τα οποία είναι γνωστά για την κολοσσιαία τους μαγνητο-αντίσταση (colossal magnetoresistance) που απορρέει από μη-θερμικές φυσικές διαδικασίες.
«Τέτοια μοντέρνα υλικά είναι υπερευαίσθητα σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, και αυτό τα κάνει ιδιαίτερα ελκυστικά για τεχνολογικές εφαρμογές. Όμως, πρέπει πρώτα να καταλάβομε καλύτερα το πως ακριβώς λειτουργούν. Έπρεπε να βρούμε έναν τρόπο να τα κάνομε να μας αποκαλύψουν τα μυστικά τους και τον βρήκαμε» λέει ο κ. Περάκης. «Ο καθηγητής Wang και εγώ αποφασίσαμε να στραφούμε στους πολύ μικρούς χρόνους. Όλοι γνωρίζομε ότι οι πολύ ψηλές ενέργειες σε επιταχυντές όπως το CERN μπορούν να αποκαλύψουν νέα Φυσική. Το ίδιο συμβαίνει αν εστιάσομε στους πολύ μικρούς χρόνους, οι οποίοι περνούσαν απαρατήρητοι μέχρι σήμερα. Εμείς προσπαθήσαμε να καταλάβομε το πώς ακριβώς αλλάζει ο μαγνητισμός όταν τον φωτίσει ένας παλμός λέιζερ με πολύ μικρή διάρκεια. Καταφέραμε να «φωτογραφίσουμε» την εξέλιξη του μαγνητισμού σε πραγματικούς χρόνους. Και μέσα από αυτή τη «φωτογράφιση» ανακαλύψαμε τη μικροσκοπική διαδικασία που μαγνητίζει το υλικό».
Τι σχέση έχει το φώς με το μαγνητισμό; «Ένας παλμός λέιζερ κάνει πολύ περισσότερα από το να ζεσταίνει ένα υλικό, εφόσον βέβαια ξέρεις πώς να τον χρησιμοποιήσεις. Το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ κάνει τα ηλεκτρόνια να ταλαντώνονται με ελεγχόμενο τρόπο. Τα ηλεκτρόνια είναι 10,000 φορές πιο ελαφριά από τα άτομα, και για το λόγο αυτό η κίνηση τους σε πολύ μικρούς χρόνους καθορίζεται από τους νόμους της κβαντομηχανικής και όχι της κλασικής Φυσικής του Νεύτωνα. Καθώς πηδάνε στα γειτονικά τους άτομα, ανταποκρινόμενα στο ηλεκτρικό πεδίο όπως τους επιτάσσουν οι νόμοι της κβαντομηχανικής, τα φωτισμένα ηλεκτρόνια αλλάζουν τις θεμελιώδεις φυσικές διαδικασίες που γεννάνε τον ίδιο το μαγνητισμό. Έτσι, με τη βοήθεια της κβαντομηχανικής, το φώς δημιουργεί τοπικά μαγνητισμό ενώ ακόμα διαρκεί ο παλμός του λέιζερ, σε λιγότερο από 100 φεμτο-δευτερόλεπτα (10-13 δευτερόλεπτα). ∆ηλαδή, το λέιζερ μαγνητίζει το υλικό πριν προλάβουν τα άτομα να κάνουν μια ολόκληρη ταλάντωση! Αυτό το πετυχαίνει δημιουργώντας μια κβαντομηχανική επαλληλία διαφορετικών καταστάσεων σπίν. Καθώς αυξάνουμε την ένταση του φωτός, το παραπάνω φαινόμενο εξαπλώνεται απότομα σε όλο το υλικό και αλλάζει τη συνολική μαγνητική κατάσταση. Αυτό δεν θα μπορούσε να συμβεί αν απλώς αλλάζει η θερμοκρασία του υλικού. Νεώτερα αποτελέσματα από γνωστές πειραματικές ομάδες των ΗΠΑ επαληθεύουν τις παρατηρήσεις μας με άλλες τεχνικές. Το υλικό δεν είναι πλέον το ίδιο μετά το τέλος ενός και μόνο υπερ-βραχέος παλμού φωτός λέιζερ!».
Η πειραματική επιβεβαίωση της παραπάνω ιδέας έγινε από την ομάδα του επίκουρου καθηγητή φυσικής Jigang Wang στο Εργαστήριο Ames του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Το πειραματικό «εργαλείο» ήταν η υπερ-ταχεία φασματοσκοπία λέιζερ με παλμούς διάρκειας μερικών φεμτο-δευτερολέπτων (10-15 δευτερόλεπτα). «Το παραπάνω πείραμα επαληθεύει τη ρήση του Πλάτωνα «αρχή ήμισυ παντός». Πρώτα διεγείρομε το υλικό μέσα σε απειροελάχιστο χρόνο με ένα παλμό λέιζερ, ο οποίος και το μαγνητίζει όπως είπαμε. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας ένα δεύτερο παλμό διαφορετικής συχνότητας, παίρνομε μια σειρά από διαδοχικές «φωτογραφίες» του σπίν με τεράστια ταχύτητα 10 terahertz- δηλαδή, μια «φωτογραφία» ανά δισεκατομμυριοστό του χιλιοστού του δεκάτου του δευτερολέπτου» εξηγεί ο κ. Περάκης. «Παρατηρήσαμε ότι η μαγνητική κατάσταση αλλάζει ενώ ακόμα διαρκεί ο διεγείρων παλμός, όπως ακριβώς προβλέπει η θεωρία που αναπτύξαμε στην Κρήτη. Μετά το τέλος του παλμού, το σύστημα παραμένει στη νέα του μαγνητική κατάσταση για μεγάλο χρόνο».
Η μεγάλη ταχύτητα και η τεράστια μαγνήτιση που παρατήρησαν οι ερευνητές πληρούν τις βασικές προϋποθέσεις που απαιτούνται για να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή μαγνητικής μνήμης και για την επεξεργασία πληροφορίας με ταχύτητες πολλών terahertz.
«Η νέα στρατηγική και οι νέες ιδέες που προτείνομε βασίζονται στη χρήση κβαντικών οπτικών μεθόδων για τον έλεγχο του μαγνητισμού. ∆είξαμε ότι αυτά τα πειράματα μπορούν να πετύχουν πολύ περισσότερα από το να υλοποιήσουν ένα πολύ γρήγορο θερμόμετρο όπως εν πολλοίς πιστεύαμε μέχρι σήμερα. Τα αποτελέσματά μας ανοίγουν ένα νέο δρόμο, που μπορεί να οδηγήσει την τεχνολογία να επιτύχει το άνω επιτρεπτό όριο ταχύτητας επεξεργασίας της πληροφορίας. Αυτό είναι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της σπιντρονικής, δηλαδή της νέας τεχνολογίας που θα βασίζεται στο σπίν αντί στο φορτίο του ηλεκτρονίου όπως οι σημερινές ηλεκτρονικές συσκευές. Ο ρόλος της Φυσικής είναι να δείχνει το δρόμο στην Τεχνολογία. Η ανακάλυψη του «Κβαντικού Φεμτο-Μαγνητισμού» είναι εν δυνάμει ένας τέτοιος σηματοδότης».
Η θεωρητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και στο Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής ∆ομής και Λέιζερ του ΙΤΕ αποτελείται από τον ∆ρ. Λεωνίδα Μουχλιάδη και τον καθηγητή φυσικής ∆ρ. Ηλία Περάκη. Η πειραματική ομάδα στο Ames Laboratory-USDOE και στο Πανεπιστήμιο Iowa State των ΗΠΑ αποτελείται από τους ∆ρ. Tianqi Li, Aaron Patz, Jiaqiang Yan, Tom Lograsso, και τον επίκουρο καθηγητή φυσικής ∆ρ. Jigang Wang.
Επιστημονικό άρθρο: "Femtosecond switching of magnetism via strongly correlated spin–charge quantum excitations", by Tianqi Li, Aaron Patz, Leonidas Mouchliadis, Jiaqiang Yan, Thomas A. Lograsso, Ilias E. Perakis & Jigang Wang, Nature 496, 69–73 (04 April 2013).
«Μια από τις προκλήσεις που αντιμετωπίζει η υλοποίηση της μαγνητικής εγγραφής, ανάγνωσης, αποθήκευσης, και επεξεργασίας δεδομένων είναι η ταχύτητα. Η τεχνολογία επιτάσσει η σημερινή ταχύτητα να αυξηθεί κατά μερικές τάξεις μεγέθους, σε πολλά terahertz. Στο μέλλον, τέτοιες συσκευές θα πρέπει να «σκέφτονται» μέσα σε απίστευτα μικρούς χρόνους μερικών φεμτο-δευτερολέπτων- δηλαδή μέσα σε δισεκατομμυριοστά του χιλιοστού του δεκάτου του δευτερολέπτου. Εμείς δείξαμε ότι μπορούν να το πετύχουν αν τις μάθομε κβαντομηχανική και τις φωτίσομε με υπερ-βραχείς παλμούς φωτός λέιζερ» λέει ο κ. Περάκης.
Στη σημερινή μαγνητο-οπτική τεχνολογία, ο παλμός λέιζερ ζεσταίνει τα άτομα και τα αναγκάζει να ταλαντώνονται. Με τη βοήθεια ενός μαγνητικού πεδίου, αυτή η θερμική ταλάντωση αλλάζει το σπιν και την κατάσταση ενός ψηφίου πληροφορίας από 0 σε 1. Έτσι γίνεται σήμερα η μαγνητική επεξεργασία της πληροφορίας.
«Η ταχύτητα μεθόδων που βασίζονται στη θερμότητα περιορίζεται από τον ελάχιστο χρόνο που χρειάζονται τα άτομα για να ταλαντωθούν και από το πόσο γρήγορα ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να αλλάξει το συνολικό σπίν των μαγνητικών περιοχών ενός υλικού» λέει ο κ. Περάκης. « Είναι πολύ δύσκολο με αυτήν την τεχνολογία να αυξηθεί η ταχύτητα πέρα από μερικές δεκάδες gigahertz, που είναι και το σημερινό όριο. Οι θερμικές διαδικασίες περιορίζουν τις δυνατότητες μας για επεξεργασία της πληροφορίας».
PT-συμμετρικά μεταϋλικά και μετα-επιφάνειες έχουν την δυνατότητα να λειτουργήσουν σε μικροκυματικές καθώς και υψηλότερες συχνότητες, να μειώσουν την απόσβεση και να προσφέρουν μεταβλητότητα των ενεργών παραμέτρων τους σε πραγματικό χρόνο. Για τον παραπάνω λόγο, η προσοχή κάποιων επιστημόνων στράφηκε τελευταία σε υλικά όπως τα οξείδια του μαγγανίου, τα οποία είναι γνωστά για την κολοσσιαία τους μαγνητο-αντίσταση (colossal magnetoresistance) που απορρέει από μη-θερμικές φυσικές διαδικασίες.
«Τέτοια μοντέρνα υλικά είναι υπερευαίσθητα σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, και αυτό τα κάνει ιδιαίτερα ελκυστικά για τεχνολογικές εφαρμογές. Όμως, πρέπει πρώτα να καταλάβομε καλύτερα το πως ακριβώς λειτουργούν. Έπρεπε να βρούμε έναν τρόπο να τα κάνομε να μας αποκαλύψουν τα μυστικά τους και τον βρήκαμε» λέει ο κ. Περάκης. «Ο καθηγητής Wang και εγώ αποφασίσαμε να στραφούμε στους πολύ μικρούς χρόνους. Όλοι γνωρίζομε ότι οι πολύ ψηλές ενέργειες σε επιταχυντές όπως το CERN μπορούν να αποκαλύψουν νέα Φυσική. Το ίδιο συμβαίνει αν εστιάσομε στους πολύ μικρούς χρόνους, οι οποίοι περνούσαν απαρατήρητοι μέχρι σήμερα. Εμείς προσπαθήσαμε να καταλάβομε το πώς ακριβώς αλλάζει ο μαγνητισμός όταν τον φωτίσει ένας παλμός λέιζερ με πολύ μικρή διάρκεια. Καταφέραμε να «φωτογραφίσουμε» την εξέλιξη του μαγνητισμού σε πραγματικούς χρόνους. Και μέσα από αυτή τη «φωτογράφιση» ανακαλύψαμε τη μικροσκοπική διαδικασία που μαγνητίζει το υλικό».
Τι σχέση έχει το φώς με το μαγνητισμό; «Ένας παλμός λέιζερ κάνει πολύ περισσότερα από το να ζεσταίνει ένα υλικό, εφόσον βέβαια ξέρεις πώς να τον χρησιμοποιήσεις. Το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ κάνει τα ηλεκτρόνια να ταλαντώνονται με ελεγχόμενο τρόπο. Τα ηλεκτρόνια είναι 10,000 φορές πιο ελαφριά από τα άτομα, και για το λόγο αυτό η κίνηση τους σε πολύ μικρούς χρόνους καθορίζεται από τους νόμους της κβαντομηχανικής και όχι της κλασικής Φυσικής του Νεύτωνα. Καθώς πηδάνε στα γειτονικά τους άτομα, ανταποκρινόμενα στο ηλεκτρικό πεδίο όπως τους επιτάσσουν οι νόμοι της κβαντομηχανικής, τα φωτισμένα ηλεκτρόνια αλλάζουν τις θεμελιώδεις φυσικές διαδικασίες που γεννάνε τον ίδιο το μαγνητισμό. Έτσι, με τη βοήθεια της κβαντομηχανικής, το φώς δημιουργεί τοπικά μαγνητισμό ενώ ακόμα διαρκεί ο παλμός του λέιζερ, σε λιγότερο από 100 φεμτο-δευτερόλεπτα (10-13 δευτερόλεπτα). ∆ηλαδή, το λέιζερ μαγνητίζει το υλικό πριν προλάβουν τα άτομα να κάνουν μια ολόκληρη ταλάντωση! Αυτό το πετυχαίνει δημιουργώντας μια κβαντομηχανική επαλληλία διαφορετικών καταστάσεων σπίν. Καθώς αυξάνουμε την ένταση του φωτός, το παραπάνω φαινόμενο εξαπλώνεται απότομα σε όλο το υλικό και αλλάζει τη συνολική μαγνητική κατάσταση. Αυτό δεν θα μπορούσε να συμβεί αν απλώς αλλάζει η θερμοκρασία του υλικού. Νεώτερα αποτελέσματα από γνωστές πειραματικές ομάδες των ΗΠΑ επαληθεύουν τις παρατηρήσεις μας με άλλες τεχνικές. Το υλικό δεν είναι πλέον το ίδιο μετά το τέλος ενός και μόνο υπερ-βραχέος παλμού φωτός λέιζερ!».
Η πειραματική επιβεβαίωση της παραπάνω ιδέας έγινε από την ομάδα του επίκουρου καθηγητή φυσικής Jigang Wang στο Εργαστήριο Ames του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ. Το πειραματικό «εργαλείο» ήταν η υπερ-ταχεία φασματοσκοπία λέιζερ με παλμούς διάρκειας μερικών φεμτο-δευτερολέπτων (10-15 δευτερόλεπτα). «Το παραπάνω πείραμα επαληθεύει τη ρήση του Πλάτωνα «αρχή ήμισυ παντός». Πρώτα διεγείρομε το υλικό μέσα σε απειροελάχιστο χρόνο με ένα παλμό λέιζερ, ο οποίος και το μαγνητίζει όπως είπαμε. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας ένα δεύτερο παλμό διαφορετικής συχνότητας, παίρνομε μια σειρά από διαδοχικές «φωτογραφίες» του σπίν με τεράστια ταχύτητα 10 terahertz- δηλαδή, μια «φωτογραφία» ανά δισεκατομμυριοστό του χιλιοστού του δεκάτου του δευτερολέπτου» εξηγεί ο κ. Περάκης. «Παρατηρήσαμε ότι η μαγνητική κατάσταση αλλάζει ενώ ακόμα διαρκεί ο διεγείρων παλμός, όπως ακριβώς προβλέπει η θεωρία που αναπτύξαμε στην Κρήτη. Μετά το τέλος του παλμού, το σύστημα παραμένει στη νέα του μαγνητική κατάσταση για μεγάλο χρόνο».
Η μεγάλη ταχύτητα και η τεράστια μαγνήτιση που παρατήρησαν οι ερευνητές πληρούν τις βασικές προϋποθέσεις που απαιτούνται για να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή μαγνητικής μνήμης και για την επεξεργασία πληροφορίας με ταχύτητες πολλών terahertz.
«Η νέα στρατηγική και οι νέες ιδέες που προτείνομε βασίζονται στη χρήση κβαντικών οπτικών μεθόδων για τον έλεγχο του μαγνητισμού. ∆είξαμε ότι αυτά τα πειράματα μπορούν να πετύχουν πολύ περισσότερα από το να υλοποιήσουν ένα πολύ γρήγορο θερμόμετρο όπως εν πολλοίς πιστεύαμε μέχρι σήμερα. Τα αποτελέσματά μας ανοίγουν ένα νέο δρόμο, που μπορεί να οδηγήσει την τεχνολογία να επιτύχει το άνω επιτρεπτό όριο ταχύτητας επεξεργασίας της πληροφορίας. Αυτό είναι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της σπιντρονικής, δηλαδή της νέας τεχνολογίας που θα βασίζεται στο σπίν αντί στο φορτίο του ηλεκτρονίου όπως οι σημερινές ηλεκτρονικές συσκευές. Ο ρόλος της Φυσικής είναι να δείχνει το δρόμο στην Τεχνολογία. Η ανακάλυψη του «Κβαντικού Φεμτο-Μαγνητισμού» είναι εν δυνάμει ένας τέτοιος σηματοδότης».
Η θεωρητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και στο Ινστιτούτο Ηλεκτρονικής ∆ομής και Λέιζερ του ΙΤΕ αποτελείται από τον ∆ρ. Λεωνίδα Μουχλιάδη και τον καθηγητή φυσικής ∆ρ. Ηλία Περάκη. Η πειραματική ομάδα στο Ames Laboratory-USDOE και στο Πανεπιστήμιο Iowa State των ΗΠΑ αποτελείται από τους ∆ρ. Tianqi Li, Aaron Patz, Jiaqiang Yan, Tom Lograsso, και τον επίκουρο καθηγητή φυσικής ∆ρ. Jigang Wang.
Επιστημονικό άρθρο: "Femtosecond switching of magnetism via strongly correlated spin–charge quantum excitations", by Tianqi Li, Aaron Patz, Leonidas Mouchliadis, Jiaqiang Yan, Thomas A. Lograsso, Ilias E. Perakis & Jigang Wang, Nature 496, 69–73 (04 April 2013).
