Ученые из Базельского университета и Швейцарской высшей технической школы Цюриха нашли способ переворачивать магнит с помощью короткой вспышки света. Обычно для изменения магнитной полярности требуется сильный нагрев материала или воздействие внешним магнитным полем, однако исследователи показали, что в некоторых случаях достаточно всего лишь короткого лазерного импульса.
Чтобы понять суть открытия, важно представить, как устроен магнит на уровне частиц. Внутри любого ферромагнетика (даже обычного магнитика на холодильнике) находятся миллиарды электронов. У каждого из них есть квантовое свойство, называемое спином. Его можно представить как крошечную магнитную стрелку. Когда огромное количество таких «стрелок» направлено в одну сторону, их магнитные поля складываются, и весь материал становится магнитом.
Но развернуть их непросто. Обычно для этого магнит нужно нагреть выше так называемой критической температуры – порога, при котором упорядоченное расположение спинов разрушается. После охлаждения они могут выстроиться заново уже в другом направлении. Такой процесс требует энергии и занимает время.
Швейцарские физики доказали, что можно обойтись без нагрева. Для эксперимента они использовали необычный материал – дителлурид молибдена. Это соединение молибдена и теллура относится к классу двумерных полупроводников: его кристаллические слои имеют толщину всего в несколько атомов. Ученые взяли два таких атомарно тонких слоя и расположили их друг над другом, слегка повернув один слой относительно другого. В результате получилась так называемая «скрученная» структура, которая заметно меняет поведение электронов.
В такой системе электроны начинают взаимодействовать друг с другом гораздо сильнее, чем в обычных материалах. Это приводит к возникновению коллективных магнитных состояний – когда спины множества электронов начинают вести себя согласованно, образуя миниатюрный ферромагнит.
Когда на такой материал направляют короткий лазерный импульс, свет воздействует на электроны и заставляет их одновременно изменить ориентацию. В результате спины множества электронов разворачиваются синхронно, и весь микроскопический магнит меняет свою полярность.
Более того, лазер позволяет не только переворачивать магнит, но и создавать внутри материала отдельные магнитные области – своего рода «рисунки» из различных магнитных состояний. Эти структуры можно формировать и изменять снова и снова, управляя ими с помощью света.
В перспективе это открывает путь к созданию электроники, управляемой светом. Лазер сможет прямо на чипе создавать и перестраивать магнитные структуры, из которых формируются логические элементы, сенсоры и другие компоненты электронных устройств.
