دگرگونی مواد با نور؛ روشی نوین برای تغییر خواص مغناطیسی
فیزیک‌دانان دانشگاه کنستانس در آلمان روشی را گزارش کرده‌اند که می‌تواند باعث شود اجسام «به‌طور جادویی به ماده‌ای متفاوت تبدیل شوند»؛ این کار از طریق تغییر ویژگی‌های مغناطیسی ماده با استفاده از نور انجام می‌شود. این فرایند که در نشریه Science Advances منتشر شده، می‌تواند راه‌های تازه‌ای برای ذخیره‌سازی داده، انتقال پرسرعت اطلاعات و پژوهش‌های کوانتومی در دمای اتاق بگشاید.
تیم تحقیقاتی به سرپرستی دیویده بوسینی (Davide Bossini) نشان داده است که پالس‌های لیزری می‌توانند جفت‌هایی از مگنون‌ها – لرزش‌های جمعی مغناطیسی – را در بلورهای طبیعی به‌صورت همدوس برانگیخته کنند.
مگنون چیست و چه نقشی در فناوری‌های آینده دارد؟
مگنون ذره‌ای کوانتومی است که نمایانگر یک آشفتگی جمعی در هم‌ترازی اسپین‌های الکترونی درون یک ماده مغناطیسی است. هنگامی که اسپین یک الکترون وارونه می‌شود، موجی از تغییر اسپین‌ها در شبکه بلوری پدید می‌آید و مانند یک موج در سراسر ماده حرکت می‌کند.
این برانگیختگی موج‌مانند، هم انرژی و هم تکانه زاویه‌ای را منتقل می‌کند و در نتیجه برای درک پدیده مغناطیس و نیز در اسپین‌ترونیک (فناوری‌ای که در آن اطلاعات با اسپین منتقل می‌شود نه با بار الکتریکی) اهمیت فراوانی دارد.
کنترل مغناطیس بدون گرما؛ کشفی فراتر از پیش‌بینی نظریه‌ها
این نوع برانگیختگی امکان کنترل فرکانس و دامنه‌های مغناطیسی را به شیوه‌ای فراهم می‌کند که به گرما وابسته نیست. بوسینی در این باره می‌گوید:
«نتیجه برای ما یک شگفتی بزرگ بود. هیچ نظریه‌ای تا به حال چنین پدیده‌ای را پیش‌بینی نکرده بود.»
تیم او با تحریک جفت‌های مگنون با فرکانس بالا توانست بر مگنون‌های دیگر در ماده تأثیر بگذارد و در نتیجه ویژگی‌های مغناطیسی آن را تغییر دهد.
پاسخی به چالش بزرگ فناوری اطلاعات
یکی از چالش‌های بزرگ دنیای فناوری اطلاعات این است که رشد روزافزون حجم داده‌های تولیدشده توسط هوش مصنوعی و اینترنت اشیاء نیازمند روش‌های تازه‌ای برای ذخیره و پردازش داده‌هاست که بتوانند در فرکانس‌های تراهرتز عمل کنند و دچار محدودیت حرارتی (thermal throttling) نشوند.
رانش نوری برانگیختگی‌های مغناطیسی همدوس، یعنی مگنون‌ها، یکی از مسیرهای امیدبخش برای رسیدن به این هدف است. توانایی افزایش غیرگرمایی و دلخواه فرکانس مگنون‌ها با پالس‌های لیزری می‌تواند این پیشرفت را ممکن سازد، پدیده‌ای که تا پیش از این هرگز گزارش نشده بود.
چگونگی انجام آزمایش‌ها و سازوکار کشف‌شده
برای دستیابی به این اثر، تیم کنستانس از برانگیختگی نوریِ تشدیدی مگنون‌های با تکانه بالا بهره گرفت. در آزمایش‌ها مشاهده شد که این مگنون‌های پرانرژی می‌توانند با مگنون‌های کم‌تکانه جفت شوند و فرکانس و دامنه آن‌ها را تغییر دهند.
شواهد نشان دادند که این اثر ناشی از گرمایش لیزری نیست، بلکه با سازوکاری به نام پراکندگی نوری تشدیدی توضیح داده می‌شود؛ مکانیزمی که بین الگوهای نوسانی با تکانه بالا و پایین در سراسر فضای تکانه، پیوند برقرار می‌کند.
به گفته پژوهشگران، این پدیده مسیرهایی تازه برای القای ناپایداری‌ها و گذارهای فازی از طریق نرم‌شدن مودها آشکار می‌کند و حتی می‌تواند زمینه‌ساز میعان بوز-اینشتین نوری مگنون‌ها و ابررسانایی ناشی از نوسانات اسپینی با تکانه بالا باشد.
سازوکار نوری، نه حرارتی
بوسینی تأکید کرد که اثرات مشاهده‌شده حاصل از گرما نیستند:
«این پدیده‌ها به‌دلیل تحریک حرارتی با لیزر ایجاد نمی‌شوند. عامل اصلی نور است، نه دما.»
این مکانیزم غیرحرارتی از تجمع گرما جلوگیری می‌کند؛ مشکلی که معمولاً در پردازش‌های پرسرعت داده مانع اصلی محسوب می‌شود.
این فرآیند حتی ویژگی‌های بنیادی ماده را نیز دگرگون می‌سازد. بوسینی توضیح می‌دهد:
«هر جامدی مجموعه‌ای از فرکانس‌های ویژه خود را دارد: گذارهای الکترونی، ارتعاشات شبکه‌ای، و برانگیختگی‌های مغناطیسی. هر ماده‌ای به‌شیوه خاص خود طنین می‌اندازد. این روش در واقع ماهیت ماده را تغییر می‌دهد — “دی‌ان‌ای مغناطیسی ماده” یا به‌اصطلاح اثر انگشت آن را. برای مدتی کوتاه، ماده به‌طور واقعی به ماده‌ای با خواص تازه تبدیل می‌شود.»
استفاده از هماتیت؛ ماده‌ای ساده با تاریخچه‌ای طولانی
آزمایش‌ها با استفاده از هماتیت (Hematite) انجام شدند؛ سنگ آهنی طبیعی که از دیرباز برای ساخت قطب‌نما در دریانوردی به کار می‌رفته است.
بوسینی می‌گوید: «هماتیت بسیار فراوان است. قرن‌ها پیش در ساخت قطب‌نماهای دریایی از آن استفاده می‌کردند.»
برخلاف بسیاری از فناوری‌های پیشرفته امروزی، این روش به عناصر خاکی کمیاب یا مواد خاص نیاز ندارد.
کاربردهای احتمالی در پژوهش‌های کوانتومی
یافته‌های این پژوهش همچنین نویدبخش کاربردهایی در تحقیقات کوانتومی هستند. این روش می‌تواند امکان ایجاد میعان بوز-اینشتین از مگنون‌های پرانرژی به‌وسیله نور و در دمای اتاق را فراهم کند؛ پدیده‌ای که در حالت عادی فقط در دماهای بسیار پایین، نزدیک به منفی ۲۷۰ درجه سلسیوس، ممکن است.
اگرچه تحقیقات بیشتری لازم است، اما دستاورد تیم کنستانس راهی نو برای دستکاری مواد با نور ارائه می‌دهد — راهی که می‌تواند منجر به فناوری‌های اطلاعاتی سریع‌تر، کارآمدتر و حتی آزمایش‌های کوانتومی در شرایط عادی شود.