Μπορεί το φως να αλλάξει τη φύση ενός υλικού; Μπορεί μια απλή λάμψη laser να μεταμορφώσει ένα κρύσταλλο, να του χαρίσει νέες ιδιότητες και να το κάνει να συμπεριφέρεται σαν κάτι εντελώς διαφορετικό; Η απάντηση είναι «ναι» και αυτό ακριβώς απέδειξε μια ομάδα Φυσικών από το University of Konstanz στη Γερμανία, η οποία κατάφερε να αλλάξει τον μαγνητικό «χαρακτήρα» ενός υλικού χρησιμοποιώντας αποκλειστικά φως.
Η ανακάλυψη αυτή, που δημοσιεύτηκε στο Science Advances, ανοίγει έναν νέο δρόμο στη φυσική στερεάς κατάστασης, επιτρέποντας την αλλαγή των μαγνητικών ιδιοτήτων μιας ουσίας χωρίς τη χρήση θερμότητας ή σπάνιων υλικών. Ουσιαστικά, οι ερευνητές βρήκαν τρόπο να μεταμορφώσουν ένα συνηθισμένο υλικό όπως τον αιματίτη (ένα κοινό ορυκτό σιδήρου) σε κάτι που συμπεριφέρεται σαν να είναι εντελώς διαφορετικό. Και το πιο εντυπωσιακό; Όλα συμβαίνουν σε θερμοκρασία δωματίου.
Η ομάδα του Davide Bossini στο University of Konstanz ανακάλυψε ότι μπορεί να διεγείρει ζεύγη μικροσκοπικών μαγνητικών κυμάτων που υπάρχουν μέσα σε έναν κρύσταλλο χρησιμοποιώντας παλμούς laser. Όταν διεγερθούν σωστά, μπορούν να μεταφέρουν και να αποθηκεύσουν πληροφορίες με ταχύτητες που φτάνουν τα terahertz, πολύ πιο γρήγορα από τα σημερινά ηλεκτρονικά κυκλώματα.
Ως τώρα, η χρήση αυτών των μαγνητικών κυμάτων περιοριζόταν σε χαμηλές συχνότητες, κάτι που περιόριζε και τις εφαρμογές τους. Οι φυσικοί του Konstanz όμως βρήκαν τρόπο να ελέγχουν όχι μόνο τη συχνότητα, αλλά και το «πλάτος» και τη διάρκεια ζωής τους, προκαλώντας τη διέγερση ζευγών υψηλής ενέργειας. Αυτό άλλαξε ολόκληρο το μαγνητικό «αποτύπωμα» του υλικού, την υπογραφή του, όπως θα λέγαμε στη Φυσική.
Το αποτέλεσμα μας εξέπληξε πλήρως, καμία θεωρία δεν είχε προβλέψει κάτι τέτοιο. Καταφέραμε να μεταβάλλουμε τις μαγνητικές ιδιότητες ενός υλικού χωρίς να αυξήσουμε τη θερμοκρασία του. Δεν είναι θερμικό φαινόμενο, αλλά καθαρά αποτέλεσμα του φωτός.
Αυτό που κάνει την ανακάλυψη επαναστατική είναι ότι καταργεί την ανάγκη για θερμική ενέργεια. Σε όλες σχεδόν τις τεχνολογίες μέχρι σήμερα, οι αλλαγές στις μαγνητικές ιδιότητες απαιτούν θερμότητα, κάτι που δημιουργεί απώλειες, καθυστερήσεις και προβλήματα διαχείρισης ενέργειας. Εδώ όμως, η διαδικασία είναι απολύτως μη θερμική.
Κάθε στερεό υλικό έχει το δικό του σύνολο συχνοτήτων: ηλεκτρονικές μεταβάσεις, δονήσεις του πλέγματος, μαγνητικές διεγέρσεις. Το φως μάς επιτρέπει να παρέμβουμε σε αυτές τις συχνότητες, να αλλάξουμε προσωρινά τη ‘μαγνητική ταυτότητα’ του υλικού. Είναι σαν να αποκτά ένα νέο DNA.
Αυτή η ικανότητα να μεταβάλλονται οι ιδιότητες ενός υλικού με μια μόνο δέσμη φωτός ανοίγει τον δρόμο για εφαρμογές που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν αδύνατες: αποθήκευση δεδομένων σε terahertz ταχύτητες, συστήματα επικοινωνίας χωρίς θερμικά εμπόδια και, ενδεχομένως, κβαντικά φαινόμενα σε συνθήκες θερμοκρασίας δωματίου.
Το πιο παράδοξο είναι πως όλα αυτά επιτεύχθηκαν όχι σε κάποιο εξωτικό, σπάνιο υλικό, αλλά σε απλό αιματίτη, το ίδιο ορυκτό που εδώ και αιώνες χρησιμοποιούσαν οι ναυτικοί στις πυξίδες τους. Ο αιματίτης είναι ένα φυσικά άφθονο κρύσταλλο οξειδίου του σιδήρου, και γι’ αυτό η μέθοδος του Konstanz δεν απαιτεί πανάκριβα ή δύσκολα προσβάσιμα συστατικά.
Ο Bossini θεωρεί ότι αυτή η τεχνική μπορεί να μετατρέψει τον αιματίτη σε βασικό εργαλείο για την κβαντική έρευνα. Οι υπολογισμοί της ομάδας του δείχνουν ότι το φως μπορεί να δημιουργήσει συμπυκνώματα Bose–Einstein από μικροσκοπικά μαγνητικά κύματα υψηλής ενέργειας (ένα καθαρά κβαντικό φαινόμενο) χωρίς να χρειάζονται ψυκτικά συστήματα ή ακραίες θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.
Η έρευνα πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του Collaborative Research Centre SFB 1432, που εστιάζει στις «Μη γραμμικότητες και διακυμάνσεις στην κλασική και κβαντική ύλη εκτός ισορροπίας». Όπως σχολιάζει ο Bossini, «τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η ύλη είναι πολύ πιο ευέλικτη απ’ όσο πιστεύαμε. Με το σωστό φως, μπορούμε να επαναπροσδιορίσουμε τις ιδιότητές της χωρίς να την καταστρέψουμε».
Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι στο μέλλον ίσως μπορέσουμε να σχεδιάσουμε υλικά που αλλάζουν λειτουργία κατά παραγγελία, από αποθηκευτικά μέσα που γράφουν δεδομένα με το φως, μέχρι υπολογιστές που εκμεταλλεύονται κβαντικές επιδράσεις χωρίς ψύξη.
[source]
