Лазеры раскрыли скрытые магнитные свойства золота, меди и алюминия

Используя только синий лазер и умную модуляцию, исследователи наконец «услышали» слабые магнитные сигналы от металлов, таких как медь и золото — то, что ускользало от науки с 1800-х годов. Автор: Paz Roth

Группа учёных разработала мощный новый метод обнаружения слабых магнитных сигналов в обычных металлах, таких как медь, золото и алюминий, используя лишь свет и хитроумную технику. Их исследование, недавно опубликованное в престижном журнале Nature Communications, может открыть путь к прорывам в различных областях — от смартфонов до квантовых вычислений.

Долгая загадка: почему мы не видим оптический эффект Холла?

Более века учёные знали, что электрические токи изгибаются в магнитном поле — явление, известное как эффект Холла. В магнитных материалах, таких как железо, этот эффект силён и хорошо изучен. Но в обычных немагнитных металлах, таких как медь или золото, эффект гораздо слабее.

Теоретически, родственное явление — оптический эффект Холла — должно помогать учёным визуализировать поведение электронов при взаимодействии света и магнитных полей. Однако на видимых длинах волн этот эффект оставался слишком слабым для обнаружения. Научный мир знал о его существовании, но не имел инструментов для его измерения.

«Это было похоже на попытку услышать шёпот в шумной комнате на протяжении десятилетий, — сказал профессор Амир Капуа. — Все знали, что шёпот есть, но у нас не было микрофона, достаточно чувствительного, чтобы его уловить».

Разгадка: взгляд на невидимое

Под руководством кандидата наук Надава Ам Шалома и профессора Амира Капуа из Института электротехники и прикладной физики Еврейского университета, в сотрудничестве с профессором Бинхаем Яном из Института науки Вейцмана, Университета штата Пенсильвания и профессором Игорем Рожанским из Манчестерского университета, исследование сосредоточилось на сложной задаче в физике: как обнаружить крошечные магнитные эффекты в материалах, которые не являются магнитными.

«Вы можете думать о металлах, таких как медь и золото, как о магнитных “тихонях” — они не прилипают к вашему холодильнику, как железо, — объяснил профессор Капуа. — Но на самом деле, в правильных условиях они реагируют на магнитные поля — просто очень слабо».

Повышение чувствительности: от шума к сигналу

Чтобы решить эту проблему, исследователи усовершенствовали метод, называемый магнито-оптическим эффектом Керра (MOKE), который использует лазер для измерения того, как магнетизм изменяет отражение света. Представьте, что вы используете мощный фонарик, чтобы уловить слабейший блик на поверхности в темноте.

Комбинируя синий лазер с длиной волны 440 нм и модуляцию внешнего магнитного поля с большой амплитудой, они значительно повысили чувствительность метода. В результате им удалось уловить магнитные «эхо» в немагнитных металлах, таких как медь, золото, алюминий, тантал и платина — достижение, ранее считавшееся почти невозможным.

Почему это важно?

Эффект Холла — ключевой инструмент в полупроводниковой промышленности и изучении материалов на атомном уровне: он помогает учёным определить количество электронов в металле. Однако традиционно измерение эффекта Холла требует физического подключения крошечных проводов к устройству — процесс трудоёмкий и сложный, особенно при работе с наноразмерными компонентами. Новый подход гораздо проще: достаточно просто направить лазер на электрическое устройство, без проводов.

Кроме того, команда обнаружила, что кажущийся случайным «шум» в их сигнале на самом деле следовал чёткой схеме, связанной с квантовым свойством, называемым спин-орбитальным взаимодействием, которое связывает движение электронов с их спином — ключевое поведение в современной физике.

«Это как обнаружить, что статика на радио — не просто помехи, а кто-то шепчет ценную информацию, — сказал кандидат наук Ам Шалом. — Теперь мы используем свет, чтобы “услышать” эти скрытые сообщения от электронов».

Перспективы: новое окно в мир спина и магнетизма

Эта техника предлагает неинвазивный, высокочувствительный инструмент для исследования магнетизма в металлах — без необходимости в массивных магнитах или криогенных условиях. Её простота и точность могут помочь инженерам создавать более быстрые процессоры, энергоэффективные системы и датчики с беспрецедентной точностью.

«Это исследование превращает почти 150-летнюю научную проблему в новую возможность, — сказал профессор Капуа. — Настраиваясь на нужную частоту и зная, где искать, мы нашли способ измерить то, что раньше считалось невидимым».

Источники: sciencedaily.com