Gli scienziati hanno scoperto un nuovo modo per manipolare i magneti con impulsi di luce laser più brevi di un trilionesimo di secondo.

Il team internazionale di ricercatori, guidato dalle università di Lancaster e Radboud, ha anche identificato la lunghezza d'onda o il colore della luce che consente la manipolazione più efficiente. Il ritrovamento è pubblicato su Lettere di revisione fisica .

I magneti hanno affascinato le persone fin dai tempi antichi, ma fino a cento anni fa la comprensione teorica del magnetismo rimaneva molto elusiva. La svolta nella comprensione è avvenuta con lo sviluppo della meccanica quantistica e la scoperta del fatto che ogni elettrone ha un momento magnetico intrinseco o spin.

La rotazione può essere vista come un elementare "ago di un compasso, " tipicamente raffigurato come una freccia che mostra la direzione dal polo nord al polo sud. Nei magneti tutti gli spin sono allineati lungo la stessa direzione dalla forza chiamata interazione di scambio. L'interazione di scambio è uno degli effetti quantistici più forti che è responsabile dell'esistenza stessa di materiali magnetici.

La forza dell'interazione di scambio può essere apprezzata dal fatto che genera campi magnetici 10, 000 volte più forte del campo magnetico terrestre. Un'altra manifestazione della sua forza è il fatto che può guidare gli spin a ruotare con un periodo di un trilionesimo di secondo e anche più velocemente.

Manipolare l'interazione di scambio sarebbe il modo più efficiente e in definitiva più veloce per controllare il magnetismo. Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno utilizzato lo stimolo più veloce e più forte disponibile:l'eccitazione dell'impulso laser ultracorto.

Però, per rilevare/osservare l'effetto della luce sul magnetismo sarebbe necessario un magnetometro ultraveloce, un dispositivo in grado di tracciare la dinamica degli spin con una risoluzione inferiore a un trilionesimo di secondo. Questo è molto più veloce della risoluzione temporale dell'elettronica moderna.

Ma gli autori hanno trovato una soluzione a questo problema, come spiega il ricercatore capo Dr. Rostislav Mikhaylovskiy dell'Università di Lancaster:"Gli spin oscillano a frequenze Terahertz quasi un trilione di volte più velocemente della frequenza standard della linea elettrica di 50 Hz. Grazie a frequenze di oscillazione così elevate, gli spin agiscono come antenne efficienti che emettono radiazioni elettromagnetiche. Analizzando le proprietà della radiazione emessa possiamo estrarre informazioni sulla dinamica di magnetizzazione ultraveloce innescata dallo sterzo ottico delle forze di scambio".

Variando sistematicamente il colore degli impulsi laser di eccitazione dal rosso al blu, gli scienziati sono stati in grado di identificare la lunghezza d'onda della luce per la quale l'effetto della luce sul magnetismo è il più forte.

Il dottor Mikhaylovskiy ha detto:"Era molto importante vedere che l'effetto della luce sull'interazione di scambio esiste davvero. Sintonizzando la lunghezza d'onda o il colore della luce abbiamo iniziato a capire come migliorare questo effetto".

Questa entusiasmante scoperta apre una nuova linea di ricerca presso la Lancaster University guidata dal Dr. Mikhaylovskiy. Il prossimo passo è eseguire studi sistematici sul controllo ultraveloce del magnetismo in un'ampia gamma spettrale, confrontare le efficienze del pompaggio nel lontano, nel medio infrarosso e nel visibile e quindi identificare l'approccio più efficiente e più veloce per la manipolazione degli spin. A tal fine è stato commissionato un nuovo sistema laser in grado di produrre impulsi laser in tutte queste gamme di frequenza.