康斯坦茨大學的物理學家近日公布了一種新方法,可以利用光改變物質的磁特性,從而讓物體“魔法般地變成另一種材料”。該成果發表于《Science Advances》期刊,被認為有望推動數據存儲、高速信息傳輸以及在常溫下的量子研究等領域。研究團隊由Davide Bossini博士領導,他們成功用激光脈沖在天然晶體中相干激發了兩對磁振子(magnon,即集體磁性振動)。
“磁振子”是一種量子粒子,代表著磁性材料內電子自旋排列擾動的集體表現。當一個電子的自旋反轉時,會引發如波浪般的自旋改變,傳播于晶格。這種波動既攜帶能量,也具有角動量,對理解磁性以及自旋電子學(使用自旋而非電荷傳遞信息)有關鍵作用。 研究人員發現,通過激發高頻磁振子對,可以非熱地控制材料中的磁頻率和振幅。“這個結果令我們非常驚訝,過去沒有理論預測過這種現象。”Bossini博士說道。通過激發高頻磁振子對,團隊能夠影響材料內其他磁振子,有效地改變其磁性屬性。 此項研究正回應信息技術領域的一個重大挑戰:人工智能和物聯網所帶來的數據量激增,需要在太赫茲頻率下進行,不受熱量限制的新型數據存儲與處理方案。通過激光驅動相干磁集體激發,即磁振子,有望打破這一瓶頸。過去尚未有報告稱磁振子的頻率可以非熱地被隨意提高,而康斯坦茨團隊則首次實現了這一突破。 據介紹,他們采用了光學共振激發高動量磁振子的方法,并證實這些高動量磁振子能與低動量磁振子發生耦合,從而改變后者的頻率和振幅。該效應并非由激光加熱造成,而是一種光共振散射機制,使高、低動量本征模在動量空間中耦合。研究人員表示,該機制為通過模軟化引發不穩定性和相變、甚至實現由光驅動的磁振子玻色-愛因斯坦凝聚及高動量自旋漲落介導的超導性提供了新途徑。 Bossini再次強調,這一現象不是由加熱導致的:“激發效應不是激光加熱造成的,真正的起因是光,而不是溫度。”非熱機制避免了高頻數據處理過程中常見的熱量積累。Bossini還指出,這一過程會改變材料的基本屬性:“每種固體都有自己的頻率集合:電子躍遷、晶格振動、磁激發,每種材料都有與眾不同的共振方式。它實際上暫時成為了一種具有新屬性的新材料,‘磁性指紋’都被重新定義了。” 實驗中使用的是赤鐵礦(haematite),這是一種歷史上曾用于航海指南針的天然鐵礦石。“赤鐵礦分布極廣,幾百年前就被用作航海羅盤材料。”Bossini補充說。與許多高科技工藝不同,這一新方法無需稀土元素或特殊材料。 研究還暗示了量子領域的潛在應用。該方法有望在常溫下產生光致高能磁振子的玻色-愛因斯坦凝聚,相比傳統實驗免去了需要接近零下270度超低溫的困擾,有望實現無冷卻限制的量子現象研究。雖然還需要進一步探索,但康斯坦茨大學的工作為“用光操控材料”開辟了新道路,有望推動更快、更高效的信息技術發展及便捷開展量子實驗。 |