Inženýři i fyzikové proto dlouhodobě hledají způsoby, jak magnetické vlastnosti materiálů ovládat co nejrychleji a nejpřesněji. Tradiční přístup, založený na elektrických proudech, má však zásadní nevýhodu... produkuje teplo. A teplo je v moderní elektronice nepřítel, poněvadž znatelně omezuje rychlost, zvyšuje spotřebu a komplikuje další miniaturizaci.

Jedním z elegantních řešení se už řadu let zdálo být světlo. Myšlenka, že by krátké laserové pulzy dokázaly přeladit magnetické chování materiálu, je lákavá a mohlo se to zdát jako účinné řešení. Nicméně ve skutečnosti tomu tak být nemohlo, jelikož většina dosavadních experimentů fungovala jen za velmi specifických, z hlediska praxe téměř nepoužitelných podmínek: v objemných materiálech, při extrémně nízkých teplotách nebo s využitím složitých a drahých infračervených laserů.

Zkrátka jsou to scénáře, které si lze jen těžko představit v reálném hardwaru, natož v masově vyráběných zařízeních.

Experiment mění pravidla hry

Právě proto vzbudila pozornost nedávná práce týmu německých, švýcarských a italských vědců, publikovaná v časopise Nature Communications. Jejich experimenty naznačují, že mnohé z dosavadních omezení nemusí být tak nevyhnutelné, jak se dlouho zdálo.

Výzkumníci se zaměřili na extrémně tenký (nanometr silný) magnetický film na bázi bismutem substituovaného yttrium-železitého granátu. Tento film byl vypěstován na krystalickém substrátu, který do něj vnáší mechanické pnutí, což hraje hlavní roli. Napětí totiž nutí magnetizaci, aby se orientovala kolmo k rovině vrstvy, čímž vzniká velmi dobře definovaný výchozí magnetický stav.

Jinými slovy, materiál je konzistentně a předvídatelně reaktivní.

V tomto případě rozhodují femtosekundy

Pomocí takzvané pump-probe techniky vědci sledovali, co se s magnetizací děje po dopadu extrémně krátkých pulzů viditelného laserového světla. Jsou to natolik krátké pulzy, že trvají pouhé femtosekundy (miliontiny miliardtiny sekundy) a umožňují zachytit děje, které jsou pro běžná měření prakticky neviditelné.

Důležité na tom je také to, že energie fotonů v tomto případě překračuje šířku zakázaného pásu materiálu. Nejde tedy výhradně o jemné rezonanční buzení, ale spíše o řízené, velmi rychlé zahřátí. To by samo o sobě nebylo nic převratného, kdyby se neukázalo, jak velký dopad může mít na magnetické excitace.

Výchozí magnetickou konfiguraci si tým nastavoval pomocí vnějšího magnetického pole o síle menší než 200 militesla, což jsou standardní hodnoty, které jsou běžné i v technických aplikacích.

Zdroj: Shutterstock

Magnony a magnetický materiál

Nejzajímavějším objektem zájmu byly magnony. Jde o kolektivní kmitání spinů v magnetickém materiálu, které je možné přirovnat k vlnám nesoucím magnetickou informaci. Frekvence těchto vln určuje, jak rychle a jakým způsobem se informace materiálem šíří.

A tady přišlo to překvapivé odhalení: laserové pulzy dokázaly frekvenci koherentních magnonů nejen zvýšit, ale i snížit, a to až o 40 procent. Směr této změny přitom nebyl náhodný. Závisel totiž jak na velikosti vnějšího magnetického pole, tak i na intenzitě laserového záření.

Při nižších magnetických polích převládalo při střední intenzitě světla zpomalování magnonů. Naopak při silnějších polích vedlo zvyšování laserové energie k jejich výraznému zrychlení.

Výzkumníci tento jev popisují jako „ladění frekvence koherentních magnonů na vyžádání“, a to v materiálu tenčím než lidský vlas, fungujícím při pokojové teplotě.

Důležitá je rovnováha sil

Důležitou součástí studie byly i numerické simulace a modelování. Ty ukázaly, že pozorovaný efekt není důsledkem nelineárních interakcí způsobených vysokou hustotou magnonů, jak by se mohlo na první pohled zdát.

Ve skutečnosti jde o jemnou rovnováhu mezi magnetickou anizotropií materiálu a vnějším magnetickým polem. Krátké optické zahřátí tuto rovnováhu dočasně posune, a právě tím se změní frekvence magnetických kmitů.

Světlo zde tedy skutečně funguje jako velmi rychlý a přesný regulační prvek, kterým lze magnetické vlastnosti materiálu „otočit regulátorem“ nahoru nebo dolů.

Je pravdou, že se stále jedná o základní výzkum, ale jeho důsledky mohou být dalekosáhlé. Možnost opticky řídit magnetické chování ultratenkých vrstev při pokojové teplotě otevírá cestu k novému typu zařízení... od energeticky úspornějších pamětí až po rychlé magnonické obvody, které by jednou mohly doplnit nebo částečně nahradit klasickou elektroniku.