Λάμψεις φωτός από λέιζερ φεπτοδευτερολέπτου (femtosecond), που διαρκούν μόλις μερικά τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, κατέστησαν εφικτή την παρατήρηση νέων μαγνητικών δομών για πρώτη φορά. Χρησιμοποιώντας το φως ως τηλεχειριστήριο, οι ερευνητές κατάφεραν να στρέψουν τον μαγνητισμό σε άγνωστες μέχρι σήμερα τρισδιάστατες καταστάσεις στη νανοκλίμακα.
Ο μαγνητισμός προέρχεται από μια κβαντική ιδιότητα των ηλεκτρονίων γνωστή ως σπιν (spin), η οποία μπορεί να νοηθεί σαν μια μικροσκοπική εσωτερική πυξίδα που φέρει κάθε ηλεκτρόνιο. Όταν πολλά σπιν αλληλεπιδρούν μέσα σε ένα στερεό υλικό, μπορούν να οργανωθούν σε σταθερά μοτίβα.
Παρατήρηση
Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics, μια διεθνής ομάδα ερευνητών παρατήρησε για πρώτη φορά μαγνητικά χόπφιονς (hopfions). Το χόπφιον είναι μια τρισδιάστατη μαγνητική δομή στην οποία τα σπιν των ηλεκτρονίων παρουσιάζουν όλες τις πιθανές κατευθύνσεις μέσα σε έναν περιορισμένο όγκο του υλικού.
«Τα χόπφιονς είναι συναρπαστικά λόγω της δομής τους. Είναι τρισδιάστατα αντικείμενα φτιαγμένα από σπιν που σχηματίζουν κλειστούς και συνδεδεμένους βρόχους (linked loops). Μόλις εμφανιστούν, διατηρούν το σχήμα τους και παραμένουν σε μεγάλο βαθμό ανεπηρέαστα από το περιβάλλον τους», εξηγεί ο Philipp Rybakov, ερευνητής στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας του Πανεπιστημίου της Ουψάλα.
Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε χειρόμορφους (chiral) μαγνητικούς κρυστάλλους. Σε έναν χειρόμορφο κρύσταλλο, η δομή εμφανίζεται σε δύο παραλλαγές που αποτελούν είδωλα καθρέφτη η μία της άλλης, όπως το αριστερό και το δεξί χέρι. Αυτή η ενσωματωμένη ασυμμετρία επηρεάζει έντονα τον τρόπο με τον οποίο τα μαγνητικά σπιν αυτοοργανώνονται μέσα στο υλικό.
Δημιουργία μέσω παλμών λέιζερ φεπτοδευτερολέπτου
Οι ερευνητές μελέτησαν λεπτά υμένια γερμανίου-σιδήρου (FeGe) με πάχος περίπου 110-200 νανόμετρα. Αν και τα μαγνητικά χόπφιονς είχαν προβλεφθεί θεωρητικά εδώ και αρκετά χρόνια, η πειραματική τους παρατήρηση ήταν εξαιρετικά δύσκολη, καθώς υπό κανονικές συνθήκες το μαγνητικό σύστημα πρέπει να ξεπεράσει μεγάλα ενεργειακά φράγματα για να φτάσει σε αυτές τις καταστάσεις.
Το εργαλείο που επέτρεψε την ανακάλυψη ήταν οι παλμοί λέιζερ φεπτοδευτερολέπτου. Ένα φεπτοδευτερόλεπτο ισούται με ένα εκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Αυτοί οι παλμοί μπορούν να διαταράξουν στιγμιαία το σύστημα των σπιν και να το ωθήσουν εκτός ισορροπίας, επιτρέποντας τον σχηματισμό των νέων μαγνητικών καταστάσεων.
Στο πείραμα, μια επιφάνεια καλυμμένη με FeGe φωτιζόταν με φως λέιζερ μία φορά ανά δευτερόλεπτο. Μετά την έκθεση, οι ερευνητές εξέταζαν τη μαγνητική κατάσταση του υλικού χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές ηλεκτρονικής μικροσκοπίας.
Πειράματα, θεωρητικοί υπολογισμοί και προσομοιώσεις
Παράλληλα με τα πειράματα, οι ίδιες μαγνητικές δομές αναπαράχθηκαν σε λεπτομερείς υπολογιστικές προσομοιώσεις μέσω του προγράμματος Excalibur, το οποίο ανέπτυξε ο Rybakov. Το λογισμικό αυτό μοντελοποιεί πώς εκατομμύρια αλληλεπιδρώντα σπιν εξελίσσονται και οργανώνονται σε πολύπλοκα τρισδιάστατα μοτίβα, λειτουργώντας ως ψηφιακά δίδυμα (digital twins) των πειραμάτων.
Βασικό μέρος της εργασίας αποτέλεσε η τοπολογική ανάλυση των μαγνητικών καταστάσεων. Η τοπολογία είναι ένας κλάδος των μαθηματικών που περιγράφει τις ιδιότητες των σχημάτων και των γεωμετρικών αντικειμένων που παραμένουν αναλλοίωτες κάτω από συνεχείς παραμορφώσεις, όπως οι κόμποι ή οι συνδεδεμένοι βρόχοι.
Έλεγχος του μαγνητισμού και σε δύο διαστάσεις
Τα αποτελέσματα δεν περιορίζονται μόνο στα χόπφιονς ενός υλικού. Σε παράλληλη εργασία που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, χρησιμοποιήθηκε η ίδια προσέγγιση με βάση το φως για τον έλεγχο του μαγνητισμού σε ένα διαφορετικό χειρόμορφο υλικό.
Στη μελέτη αυτή, οι ερευνητές επέδειξαν τα λεγόμενα μπιμερόνια (bimerons), τα οποία είναι δισδιάστατες μαγνητικές δομές που μπορούν να θεωρηθούν ως τα αντίστοιχα των τρισδιάστατων χόπφιονς. Συνολικά, οι δύο μελέτες δείχνουν ότι το φως λέιζερ μπορεί να χρησιμεύσει ως γενικό εργαλείο για την πρόσβαση σε νέες μαγνητικές καταστάσεις.
Νέες προοπτικές στην τεχνολογία spintronics
Η ανακάλυψη ανοίγει νέους δρόμους για τη μελλοντική έρευνα. Επειδή τα χόπφιονς είναι σταθερές, τρισδιάστατες μαγνητικές δομές, παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον για την ηλεκτρονική προσανατολισμού του σπιν (spintronics). Στον τομέα αυτό, το σπιν του ηλεκτρονίου χρησιμοποιείται αντί για το ηλεκτρικό φορτίο για την αποθήκευση και την επεξεργασία πληροφοριών, προσφέροντας τη δυνατότητα για πιο γρήγορα και αποδοτικά συστήματα μνήμης.