10 april 2012
Laser bepaalt de toekomst: verrassend vlindereffect gevonden in ultrasnelle magneten
Onderzoekers van de Stichting FOM en de Radboud Universiteit Nijmegen hebben samen met Russische collega's een 'vlindereffect' ontdekt in de wereld van ultrasnel magnetisme. De onderzoekers zagen dat een korte magnetische puls de richting bepaalt van de magnetisatie die later zal ontstaan. Bijzonder is dat zij met deze minieme verstoring het hele systeem kunnen sturen, net zoals een vlinder die even met zijn vleugels klapt tot een tornado duizenden kilometers verderop kan leiden . Dit vlindereffect biedt dan ook een conceptueel nieuwe manier om informatie te bewerken en op te slaan. De onderzoekers publiceerden deze resultaten op 9 april online in Physical Review Letters.
Afbeelding 1. Het principe van het vlindereffect
Met behulp van een laser wordt een magneet blootgesteld aan een zeer korte magnetische puls. Hierdoor gaat de richting van de magnetisatie nauwelijks zichtbaar trillen. Echter, als later de magnetisatie M door verwarming uit het vlak draait, bepalen de details van de trilling of dit een draai omhoog of omlaag zal zijn.
Voor de experimenten gebruikten de onderzoekers kristalachtige materialen (zeldzame-aarde orthoferrieten). In deze materialen draait de richting van de magnetisatie spontaan 90 graden bij verwarming, een zogenaamde magnetische faseovergang. Als de magnetisatie linksom draait, dan komt de noordpool boven te liggen en als de magnetisatie rechtsom draait, komt de zuidpool boven. Zonder invloeden van buitenaf is de draairichting volledig willekeurig. Door het aanleggen van een magnetisch veld is het mogelijk om de richting van de draaiing bepalen.
Tot hun grote verbazing zagen de onderzoekers dat zij deze richting ook konden controleren door twee picoseconden (10-12 seconde!) voordat de draaiing begint, het materiaal bloot te stellen aan een magnetische puls van 0,06 picoseconde (gemaakt met behulp van een laser). Deze puls start minieme, maar welbepaalde, trillingen van de magnetisatierichting. Ondanks hun kleine amplitude zorgen zij ervoor dat de draairichtingen linksom en rechtsom niet meer equivalent zijn: de symmetrie is gebroken. Daardoor krijgt de magnetisatie een sterke voorkeur voor één van de twee draairichtingen, nog vóórdat de faseovergang plaatsvindt (afbeelding 1). De onderzoekers konden bovendien de voorkeursrichting eenvoudig controleren door via de richting van de magnetische puls de fase van de trillingen aan te passen.
FOM-promovendus Johan de Jong: “Het is heel bijzonder dat wij met zo’n kleine verstoring het hele systeem, de magneet, kunnen sturen. In de toekomst hopen wij op deze manier ook meer controle over andere ultrasnelle processen te kunnen krijgen.”
Referentie
‘Coherent control of the route of an ultrafast magnetic phase transition via low-amplitude spin precession’, J.A. de Jong, I. Razdolski, A.M. Kalashnikova, R.V. Pisarev, A.M. Balbashov, A. Kirilyuk, Th. Rasing, and A.V. Kimel, Phys. Rev. Lett. 108, 157601 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.157601.
