Исследователи из Базельского университета и ETH Zurich разработали метод изменения полярности специализированного ферромагнетика с помощью сфокусированного лазерного луча. Эта технология позволяет использовать свет для проектирования и перенастройки электронных схем непосредственно на чипе.

Принципы работы ферромагнетиков

Ферромагнетики функционируют благодаря согласованному движению множества крошечных магнитных моментов внутри материала. Каждый электрон обладает спином, создающим небольшое магнитное поле. Когда спины электронов выстраиваются в одном направлении, их совместное действие формирует сильный и стабильный магнит, как, например, в компасе или на дверце холодильника. Такое выравнивание возможно только при достаточно сильных взаимодействиях между спинами, чтобы преодолеть случайное тепловое движение. Ниже определённой критической температуры эти взаимодействия доминируют, и материал становится ферромагнитным. Обычно для изменения полярности магнита требуется нагреть его выше этой температуры, после чего при охлаждении спины устанавливаются в новой ориентации, меняя направление магнита.

Переключение с помощью лазера без нагрева

В ходе экспериментов удалось добиться переориентации ферромагнитного состояния только с помощью света, без повышения температуры. Для этого использовался материал, состоящий из двух атомарно тонких слоёв дителлурида молибдена, уложенных с небольшим поворотом относительно друг друга, что приводит к необычному электронному поведению.

Топологические состояния и скрученные квантовые материалы

В такой скрученной структуре электроны могут организовываться в топологические состояния, которые принципиально различаются и не могут быть плавно преобразованы друг в друга. В экспериментах удалось настраивать электроны между состояниями, ведущими себя как изоляторы, и теми, что проводят электричество как металлы. В обоих случаях взаимодействия между электронами приводили к параллельному выравниванию их спинов, формируя ферромагнитное состояние.

Динамическое управление магнитными состояниями

Лазерный импульс не только изменяет полярность магнита, но и может создавать новые внутренние границы в микроскопическом материале, формируя области с топологическим ферромагнитным состоянием. Этот процесс можно повторять, что позволяет динамически управлять как магнитными, так и топологическими свойствами системы.

Подтверждение изменения полярности

Для подтверждения изменения полярности ферромагнита размером всего в несколько микрометров использовался второй, более слабый лазерный луч. Анализ отражённого света позволил определить ориентацию спинов электронов.

Перспективы применения

Разработанный метод может быть использован для оптической записи произвольных и адаптируемых топологических схем на чипе. Такие схемы способны включать миниатюрные интерферометры, обнаруживающие крайне слабые электромагнитные поля, что открывает новые возможности для технологий высокоточного сенсирования.