9 april 2014
Nieuw fenomeen: licht maakt geluid en zet magnetisatie in beweging
Het geluid gegenereerd door exploderende elektronenwolken speelt een rol bij het veranderen van de magnetisatie van ijzerboraat (Physical Review Letters, 11 april 2014). Weer een onverwachte vinding in de reeks die volgt op de Radboud-ontdekking dat licht magneten kan ompolen. Sindsdien zijn natuurkundigen op zoek naar hoe dat precies werkt. Data opslaan met lichtpulsen is het doel.
geluidenmagneetveld
Onze behoefte aan digitale opslagcapaciteit blijft toenemen, terwijl de grenzen aan de huidige techniek rap in zicht komen. Data opslaan op magnetisch materiaal blijft een aantrekkelijke optie, maar hoe kan het nog sneller en efficiënter?
geluidenmagneetveld Als het lukt om de ontdekking van onderzoekers van de Radboud Universiteit en de Taurida Universiteit (Krim) toe te passen en we data kunnen wegschrijven en ophalen met behulp van lichtpulsen, zou een nieuwe generatie opslagmogelijkheden in zicht komen.
Materialen en kennis
Daarvoor zoeken zij naar geschikte materialen, en proberen ze er achter te komen wat er precies gebeurt tussen lichtpuls en verandering van magnetisatie. Want volgens de kwantummechanica kan het eigenlijk niet: licht gaat nu eenmaal geen sterke interactie aan met spins – de moleculaire magneetjes in het materiaal. Maar wat gebeurt er dan wél?
Explosie door licht
De groep van Alexey Kimel, natuurkundige aan de Radboud Universiteit, bekeek wat lichtpulsen doen met de magnetisatie van ijzerboraat. Dat pakte heel anders uit dan verwacht: niet de individuele spins in dit kristal gingen aan het wankelen, maar het magnetisatierooster van spins als geheel. Wat zorgde voor dit onverwachte en onbekende ‘groepsgedrag’?
‘We hebben aangetoond dat de lichtpuls de elektronenwolken in het materiaal zo’n impuls geven dat ze exploderen. Dat geeft een geluidsgolf. Geluid heeft wél een sterke koppeling met magnetisatie: het brengt atomen in beweging.’
Geluidsgolf trekt magnetisatie mee
‘We zien dat de magnetisatie meegetrokken wordt met de geluidsgolf – niet alleen in de basisfrequentie f, maar ook in 2f, 3f. Dit fenomeen heet anharmoniciteit en dit is een teken dat afwijking van de magnetisatie van de oorspronkelijke positie bijzonder groot wordt. Het is een robuust effect dat nanoseconden lang aanhoudt. De rol van geluid op magnetisatie was al bekend, maar het feit dat wij magneten en licht zo effectief door middel van geluid kunnen koppelen kwam als een verassing’, zegt Kimel.
Groen kristal
IJzerboraat, het materiaal dat Kimel gebruikte, lijkt sterk op het goedkope en ruimvoorradige hematiet. Dat vergemakkelijkt het toepassen van dit nieuwe fenomeen, zegt de onderzoeker. ‘Voor optische experimenten is het groene ijzerboraat alleen veel makkelijker dan het zwarte hematiet.
Alexey Kimel kreeg in 2010 een ERC Starting Ggrant voor zijn onderzoek Femtosecond Laser Control of Spins in Magnetic Materials: from fundamentals to nanoscale dynamics. Hij is verbonden aan het Institute for Molecules and Materials van de Radboud Universiteit.
