Professor Amir Capua, Leiter des Spintronik-Labors am Institut für Angewandte Physik und Elektrotechnik der Hebräischen Universität Jerusalem, verkündete einen entscheidenden Durchbruch auf dem Gebiet der Wechselwirkungen zwischen Licht und Magnetismus. Die unerwartete Entdeckung des Teams offenbart einen Mechanismus, bei dem ein optischer Laserstrahl den magnetischen Zustand in Festkörpern steuert, was konkrete Anwendungen in verschiedenen Branchen verspricht.
„Dieser Durchbruch markiert einen Paradigmenwechsel in unserem Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und magnetischen Materialien“, so Professor Capua. „Er ebnet den Weg für lichtgesteuerte Hochgeschwindigkeits-Speichertechnologien, insbesondere für magnetoresistive Direktzugriffsspeicher (MRAM), und für die Entwicklung innovativer optischer Sensoren. In der Tat bedeutet diese Entdeckung einen großen Sprung in unserem Verständnis der Dynamik von Licht und Magnetismus.“
Magnetismus im Licht
Die Forschungsarbeit stellt das konventionelle Denken in Frage, indem sie den übersehenen magnetischen Aspekt des Lichts entschlüsselt, dem normalerweise weniger Aufmerksamkeit geschenkt wird, da Magnete im Vergleich zum schnellen Verhalten der Lichtstrahlung langsamer reagieren.
Durch ihre Untersuchung gelangte das Team zu einer neuen Erkenntnis: Die magnetische Komponente einer schnell oszillierenden Lichtwelle besitzt die Fähigkeit, Magnete zu steuern, wodurch grundlegende physikalische Zusammenhänge neu definiert werden. Interessanterweise wurde eine elementare mathematische Beziehung identifiziert, welche die Stärke der Wechselwirkung beschreibt und die Amplitude des magnetischen Feldes von Licht, seine Frequenz und die Energieabsorption des magnetischen Materials miteinander verbindet.
Die Entdeckung ist eng mit dem Bereich der Quantentechnologien verknüpft und kombiniert Prinzipien aus zwei wissenschaftlichen Gemeinschaften, die sich bisher kaum überschnitten: „Wir sind zu diesem Verständnis gelangt, indem wir Prinzipien verwendet haben, die in den Bereichen Quantencomputer und Quantenoptik gut etabliert sind, aber weniger in den Bereichen Spintronik und Magnetismus.“
Die Wechselwirkung zwischen einem magnetischen Material und Strahlung ist gut bekannt, wenn sich beide im perfekten Gleichgewicht befinden. Die Situation, in der sich sowohl Strahlung als auch ein magnetisches Material nicht im Gleichgewicht befinden, wurde bisher jedoch nur sehr unvollständig beschrieben. Dieses Nicht-Gleichgewichtsregime steht im Mittelpunkt der Quantenoptik und der Quantencomputertechnologien. Durch unsere Untersuchung dieses Nicht-Gleichgewichtszustands in magnetischen Materialien haben wir unter Verwendung von Prinzipien aus der Quantenphysik das grundlegende Verständnis dafür geschaffen, dass Magnete sogar auf die kurzen Zeitskalen des Lichts reagieren können.
Außerdem erweist sich die Wechselwirkung als sehr signifikant und effizient. „Unsere Erkenntnisse können eine Vielzahl von experimentellen Ergebnissen erklären, die in den letzten zwei bis drei Jahrzehnten berichtet wurden“, erklärt Capua. „Diese Entdeckung hat weitreichende Auswirkungen, insbesondere im Bereich der Datenaufzeichnung mit Licht und Nanomagneten“, bemerkt Professor Capua. „Sie deutet auf die potenzielle Realisierung eines ultraschnellen und energieeffizienten optisch gesteuerten MRAMs hin, was einen seismischen Wandel in der Informationsspeicherung und -verarbeitung in verschiedenen Bereichen bedeuten würde.“
Sensor erkennt magnetischen Anteil des Lichts
Gleichzeitig mit dieser Entdeckung stellte das Team einen speziellen Sensor vor, der in der Lage ist, den magnetischen Anteil des Lichts zu erkennen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sensoren bietet dieses neue Design Vielseitigkeit und Integration in verschiedene Anwendungen und könnte die Entwicklung von Sensoren und Schaltkreisen, die Licht auf unterschiedliche Weise nutzen, revolutionieren.
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Die Forschung wurde von Benjamin Assouline, einem Doktoranden im Spintronics Lab, durchgeführt, der eine entscheidende Rolle bei dieser Entdeckung spielte. Da das Team die potenziellen Auswirkungen seines Durchbruchs erkannt hat, hat es mehrere entsprechende Patente angemeldet.
