Professor Amir Capua, Leiter des Spintronik-Labors am Institut für Angewandte Physik und Elektrotechnik der Hebräischen Universität Jerusalem, gab einen entscheidenden Durchbruch auf dem Gebiet der Licht-Magnetismus-Wechselwirkungen bekannt. Die unerwartete Entdeckung des Teams enthüllt einen Mechanismus, bei dem ein optischer Laserstrahl den magnetischen Zustand in Festkörpern steuert, was greifbare Anwendungen in verschiedenen Branchen verspricht.
„Dieser Durchbruch markiert einen Paradigmenwechsel in unserem Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und magnetischen Materialien“, erklärte Professor Capua. „Es ebnet den Weg für lichtgesteuerte Hochgeschwindigkeitsspeichertechnologie, insbesondere Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM), und die Entwicklung innovativer optischer Sensoren. Tatsächlich signalisiert diese Entdeckung einen großen Sprung in unserem Verständnis der Licht-Magnetismus-Dynamik.“
Die Forschung stellt das konventionelle Denken in Frage, indem sie den übersehenen magnetischen Aspekt des Lichts aufdeckt, der aufgrund der langsameren Reaktion von Magneten im Vergleich zum schnellen Verhalten der Lichtstrahlung normalerweise weniger Aufmerksamkeit erhält.
Durch ihre Untersuchung gelangte das Team zu einem neuen Verständnis: Die magnetische Komponente einer schnell oszillierenden Lichtwelle besitzt die Fähigkeit, Magnete zu steuern und so das Prinzip der physikalischen Beziehungen neu zu definieren. Interessanterweise wurde eine elementare mathematische Beziehung identifiziert, die die Stärke der Wechselwirkung beschreibt und die Amplitude des Magnetfelds des Lichts, seine Frequenz und die Energieabsorption des magnetischen Materials verknüpft.
Die Entdeckung ist eng mit dem Bereich der Quantentechnologien verbunden und vereint Prinzipien zweier wissenschaftlicher Gemeinschaften, die sich bisher kaum überschnitten haben. „Zu diesem Verständnis gelangten wir, indem wir Prinzipien verwendeten, die in den Bereichen Quantencomputing und Quantenoptik gut etabliert sind, in den Bereichen Spintronik und Magnetismus jedoch weniger etabliert sind“, sagte Capua.
Die Wechselwirkung zwischen einem magnetischen Material und Strahlung ist dann gut etabliert, wenn sich beide im perfekten Gleichgewicht befinden. Allerdings wurde die Situation, dass sowohl Strahlung als auch magnetisches Material nicht im Gleichgewicht sind, bisher nur sehr teilweise beschrieben.
Dieses Nichtgleichgewichtsregime ist der Kern der Quantenoptik und der Quantencomputertechnologien. Durch unsere Untersuchung dieses Nichtgleichgewichtsregimes in magnetischen Materialien haben wir unter Nutzung von Prinzipien aus der Quantenphysik das grundlegende Verständnis untermauert, dass Magnete sogar auf die kurzen Zeitskalen von Licht reagieren können. Darüber hinaus erweist sich die Interaktion als sehr bedeutsam und effizient.
„Unsere Ergebnisse können eine Vielzahl experimenteller Ergebnisse erklären, über die in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten berichtet wurde“, erklärte Capua.
„Diese Entdeckung hat weitreichende Auswirkungen, insbesondere im Bereich der Datenaufzeichnung mithilfe von Licht und Nanomagneten“, sagte Professor Capua. „Es deutet auf die mögliche Realisierung eines ultraschnellen und energieeffizienten optisch gesteuerten MRAM und eine seismische Verschiebung bei der Informationsspeicherung und -verarbeitung in verschiedenen Sektoren hin.“
Darüber hinaus führte das Team parallel zu dieser Entdeckung einen speziellen Sensor ein, der den magnetischen Teil des Lichts erkennen kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren bietet dieses hochmoderne Design Vielseitigkeit und Integration in verschiedene Anwendungen und revolutioniert möglicherweise Sensor- und Schaltkreisdesigns, die Licht auf vielfältige Weise nutzen.
Die Forschung wurde von Benjamin Assouline, einem Ph.D., durchgeführt. Kandidat im Spintronics Lab, der eine entscheidende Rolle bei dieser Entdeckung spielte. Das Team war sich der potenziellen Auswirkungen seines Durchbruchs bewusst und hat mehrere entsprechende Patente angemeldet.
Mehr Informationen:
Benjamin Assouline et al., Helizitätsabhängige optische Kontrolle des Magnetisierungszustands, der sich aus der Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung ergibt, Forschung zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.013012