Elektronica aansturen met licht: komt er een doorbraak van magnetiet?

Onderzoekers hebben ontdekt dat ze, door licht van verschillende golflengten op magnetiet te laten schijnen, de toestand ervan kunnen veranderen, waardoor het min of meer geleidend wordt voor elektriciteit. Dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van innovatieve materialen voor elektronica.

Magnetiet is de oudste en sterkste natuurlijke magneet. Het wordt gebruikt in de elektronica en heeft unieke eigenschappen die het interessant maken op het gebied van spintronica. Bovendien heeft magnetiet een cruciale rol gespeeld bij het begrijpen van magnetisme, waarbij het de aandacht trok van onder anderen Einstein. De magnetische en elektronische eigenschappen ervan worden bestudeerd in biomagnetisme, katalyse en paleomagnetisme.

Onlangs is onderzoek naar het benutten van de schakeleigenschappen in een stroomversnelling gekomen, wat het potentieel ervan voor geavanceerde technologieën benadrukt. “We hebben laten zien dat het mogelijk is om een ​​inverse faseovergang in magnetiet teweeg te brengen”, zegt natuurkundige Fabrizio Carbone van EPFL. “Het is alsof je water neemt en het in ijs kunt veranderen door er met een laser energie in te stoppen. Dit is contra-intuïtief, omdat je bij het bevriezen van water het normaal gesproken afkoelt, wat betekent dat je er energie uit haalt.”

Nu heeft Carbone getracht om de microscopische constructieve eigenschappen van magnetiet tijdens door licht geïnduceerde faseovergangen te begrijpen en beheersen. Hij ontdekte dat het gebruik van specifieke lichtgolflengten (kleuren) voor foto-excitatie het systeem in verschillende niet-evenwichts-metastabiele toestanden kan drijven (‘metastabiel’ betekent dat de toestand onder bepaalde omstandigheden kan veranderen), zogenaamde verborgen fasen, waardoor een nieuw protocol wordt onthuld om materiaaleigenschappen op ultrasnelle tijdschalen te manipuleren.

De bevindingen, die van invloed kunnen zijn op de toekomst van de elektronica, worden gepubliceerd in PNAS.

Wat zijn ‘niet-evenwichtstoestanden’? Een ‘evenwichtstoestand’ is in feite een stabiele toestand waarin de eigenschappen van een materiaal in de loop van de tijd niet veranderen omdat de krachten erin in evenwicht zijn. Wanneer dit wordt verstoord, zou het materiaal (het ‘systeem’, om nauwkeurig te zijn in termen van natuurkunde) in een niet-evenwichtstoestand terechtkomen en eigenschappen vertonen die kunnen grenzen aan het exotische en onvoorspelbare.

De ‘verborgen fasen’ van magnetiet

Faseovergangen in materialen volgen gewoonlijk voorspelbare routes onder evenwichtsomstandigheden. Maar wanneer materialen uit evenwicht worden gebracht, kunnen ze zogenaamde ‘verborgen fasen’ gaan vertonen – tussentoestanden die normaal gesproken niet toegankelijk zijn. Het observeren van verborgen fasen vereist geavanceerde technieken die snelle en minutieuze veranderingen in de structuur van het materiaal kunnen vastleggen.

Magnetiet is een goed bestudeerd materiaal dat bekend staat om zijn intrigerende overgang van metaal naar isolator bij lage temperaturen – van het vermogen om elektriciteit te geleiden tot het actief blokkeren ervan. Dit staat bekend als de Verwey-overgang en verandert de elektronische en constructieve eigenschappen van magnetiet aanzienlijk. Met zijn complexe samenspel van kristalstructuur, lading en orbitale ordes kan magnetiet deze overgang van metaal naar isolator ondergaan bij ongeveer -148,15 graden Celsius.

Ultrasnelle lasers veroorzaken verborgen overgangen

“Om dit fenomeen beter te begrijpen, hebben we dit experiment gedaan waarbij we rechtstreeks keken naar de atomaire bewegingen die plaatsvinden tijdens een dergelijke transformatie”, zegt Carbone. “We ontdekten dat laserexcitatie de vaste stof in een aantal verschillende fasen brengt die in evenwichtsomstandigheden niet bestaan.”

Bij de experimenten werd gebruik gemaakt van twee verschillende golflengten van licht: nabij-infrarood (800 nm) en zichtbaar (400 nm). Wanneer het magnetiet werd geëxciteerd met lichtpulsen van 800 nm, werd de structuur verstoord, waardoor een mix van metalen en isolerende gebieden ontstond. Daarentegen maakten lichtpulsen van 400 nm het magnetiet tot een stabielere isolator.

Om deze veranderingen te volgen, gebruikten de onderzoekers ultrasnelle elektronendiffractie. Hierdoor konden ze observeren hoe de verschillende golflengten van laserlicht de structuur van het magnetiet op atomaire schaal daadwerkelijk beïnvloeden.

De kristalstructuur van Magnetiet is een zogenaamd ‘monoklien rooster’, waarbij de eenheidscel de vorm heeft van een scheve doos, met drie ongelijke randen, en twee van de hoeken 90 graden zijn, terwijl de derde verschillend is.

Toen het 800 nm-licht op het magnetiet scheen, veroorzaakte het een snelle compressie van het monokliene rooster van het magnetiet, waardoor het in de richting van een kubieke structuur transformeerde. Dit vindt plaats in drie fasen gedurende 50 picoseconden, en suggereert dat er complexe dynamische interacties plaatsvinden binnen het materiaal. Omgekeerd zorgde het zichtbare licht van 400 nm ervoor dat het rooster uitbreidde, waardoor het monokliene rooster werd versterkt en een meer geordende fase ontstond: een stabiele isolator.

Het kunnen induceren en controleren van verborgen fasen in magnetiet zou aanzienlijke gevolgen kunnen hebben voor de ontwikkeling van geavanceerde materialen en apparaten. Materialen die snel en efficiënt tussen verschillende elektronische toestanden kunnen schakelen, kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in computer- en geheugenapparaten van de volgende generatie.