Deterministic control of antiferromagnetic domain walls by circular phonons

Magnetische materialen vormen al lang de ruggengraat van de manier waarop we informatie opslaan, van de harde schijven in onze computers tot de creditcards in onze portemonnees. Decennialang hebben wetenschappers zich gericht op ferromagneten, de materialen waaruit gewone magneten zijn opgebouwd, omdat hun magnetische velden gemakkelijk te meten en te controleren zijn. Echter, een andere klasse materialen, genaamd antiferromagneten, biedt de belofte van veel snellere en dichtere gegevensopslag. In deze materialen wijzen de minuscule magnetische spins van atomen in tegengestelde richtingen, waardoor ze elkaar opheffen, zodat het materiaal geen algemeen magnetisch veld heeft. Dit maakt ze onzichtbaar voor standaard magnetische sensoren en ongelooflijk moeilijk te manipuleren. De uitdaging ligt in het beheersen van de grenzen tussen verschillende regio's, of domeinen, binnen deze materialen. Als wetenschappers zouden leren om deze grenzen met precisie te bewegen, zouden ze een nieuwe generatie geheugenapparaten kunnen creëren die zowel razendsnel als ongelooflijk stabiel zijn.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gedemonstreerd om deze onzichtbare grenzen te sturen met behulp van de trillingen van het kristalrooster zelf. Bij het werken met een gelaagd mineraal genaamd mangaanfosfortrisulfide, dat licht is gedoteerd met nikkel om de interne structuur gemakkelijker zichtbaar te maken, gebruikten de wetenschappers pulsen van mid-infrarood licht om de atomen in een specifiek, circulair patroon te laten schudden. Door dit licht te richten met een specifieke draai, bekend als circulaire polarisatie, waren zij in staat om de grenzen tussen de magnetische domeinen in de ene of de andere richting te duwen. Het resultaat is een methode om de magnetische toestand van het materiaal deterministisch te schakelen, het te veranderen van de ene stabiele configuratie naar de andere en weer terug, simpelweg door de handigheid (handedness) van het licht te veranderen waarmee het materiaal wordt geëxciteerd.

Het materiaal dat zij bestudeerden, mangaanfosfortrisulfide, is een van der Waals antiferromagnet, wat betekent dat het bestaat uit dunne vellen die door zwakke krachten bij elkaar worden gehouden, vergelijkbaar met een stapel kaarten. Binnen elk vel zijn de magnetische atomen gerangschikt in een honingraatpatroon. Onder een bepaalde temperatuur lijnen deze atomen zich uit in twee tegenovergestelde groepen, wat een toestand creëert waarin de magnetische krachten perfect in evenwicht zijn. Dit evenwicht creëert twee mogelijke toestanden voor het materiaal, die elkaars spiegelbeeld zijn in de tijd. In een perfect kristal zouden deze toestanden even waarschijnlijk zijn, maar in werkelijkheid is het materiaal gevuld met kleine defecten en imperfecties. Deze imperfecties fungeren als ankers die de grenzen tussen de verschillende magnetische regio's op hun plaats houden. Deze verankering (pinning) is meestal een probleem, maar de onderzoekers ontdekten dat het ook de sleutel is om de schakeling te laten werken.

Om te zien wat er binnen het kristal gebeurde, gebruikte het team een speciale beeldvormingstechniek die berust op hoe licht van het materiaal weerkaatst. Omdat de magnetische ordening bepaalde symmetrieën in het kristal doorbreekt, produceert het een uniek signaal wanneer het door een laser wordt geraakt, waardoor de onderzoekers het doolhofachtige patroon van magnetische domeinen in kaart kunnen brengen. Ze observeerden dat de grenzen tussen deze regio's niet statisch waren; ze konden worden verplaatst. De onderzoekers richtten zich vervolgens op een vrije-elektronenlaser, een krachtige lichtbron die in staat is zeer specifieke golflengten te produceren. Ze stemden deze laser af op de natuurlijke trillingsfrequentie van een specifieke groep atomen binnen het kristal, het fosfor-zwavelcomplex. Wanneer zij lichtpulsen op deze frequentie afvuurden, begonnen de atomen te trillen.

De cruciale stap was hoe ze het licht vormgaven. In plaats van de atomen alleen maar heen en weer te laten schudden, gebruikten ze circulair gepolariseerd licht om de atomen in een cirkel te laten bewegen. Dit creëerde een chiraal bewegingspatroon, een microscopische draaiende beweging van het kristalrooster die een specifieke richting heeft, ofwel met de klok mee of tegen de klok in. Deze draaiende beweging werkt als een magnetisch veld, maar een dat wordt gegenereerd door de beweging van de atomen zelf in plaats van door elektrische stromen of externe magneten. De onderzoekers ontdekten dat wanneer zij licht gebruikten dat in de ene richting draaide, de magnetische grenzen bewogen om één type domein uit te breiden. Wanneer zij de draairichting van het licht naar de andere richting veranderden, bewogen de grenzen terug, waardoor dat domein kromp en het andere domein uitbreidde.

Dit proces is niet instantaan. Een enkele lichtpuls is niet sterk genoeg om de grenzen over de hele breedte van het monster te bewegen. In plaats daarvan ontdekten de onderzoekers dat het effect cumulatief is. Zij vuurden een reeks lichtpulsen af, en met elke puls bewoog de grens een klein stukje verder, waarbij hij de weerstand van de kristaldefecten overwon die hem op zijn plaats hielden. Het is vergelijkbaar met het duwen van een zwaar object een heuvel op met kleine, herhaalde duwtjes; elke duw krijgt het een klein beetje hoger totdat het de top bereikt. In hun experimenten duurde het ongeveer vier pulsen om een significante verandering in de vorm van het domein op te bouwen, waardoor een uitstulping ontstond die in de naburige regio uitsteekt. Echter, het omkeren van de richting van het licht was veel efficiënter. Een enkele lichtpuls met de tegenovergestelde draai was voldoende om de uitstulping te laten inklappen en de grens naar de oorspronkelijke positie te laten terugkeren.

De onderzoekers bevestigden dat dit effect niet slechts een willekeurige fluctuatie was, maar een direct gevolg van de interactie van het licht met de trillingen van het kristal. Ze testten verschillende golflengten van licht en ontdekten dat het effect het sterkst was wanneer het licht overeenkwam met de specifieke frequentie van de circulaire atomaire trillingen. Als ze een andere frequentie gebruikten, bewogen de grenzen niet. Ze testten het systeem ook bij verschillende temperaturen en ontdekten dat de controle betrouwbaar werkte van zeer lage temperaturen tot ongeveer 45 graden boven het absolute nulpunt. Voorbij dat punt werd de thermische energie te sterk en kon het licht de grenzen niet langer met dezelfde precisie sturen.

Via computersimulaties modelleerde het team hoe de grenzen zich over het landschap van kristaldefecten bewogen. De modellen toonden aan dat de circulaire beweging van de atomen een kracht creëert die de grens helpt om over de energiebarrières van de defecten te klimmen. Zodra de grens een defect passeert, blijft hij weer steken bij het volgende defect, wat de nieuwe positie stabiliseert. Deze stapsgewijze beweging verklaart waarom de veranderingen accumuleren met elke puls. De simulaties reproduceerden ook de asymmetrie die in het experiment werd gezien, waarbij werd getoond dat het bewegen van de grens tegen de spanning van de uitgerekte wand van het domein veel kleine duwtjes vereist, terwijl het laten terugspringen de spanning in één snelle beweging vrijlaat.

Dit werk demonstreert dat de magnetische ordening in deze materialen kan worden gecontroleerd, niet door magnetische velden, die zwak zijn in antiferromagneten, maar door de dynamische vorm van het kristalrooster zelf. De onderzoekers toonden aan dat door specifiek resonante trillingen te exciteren met circulair gepolariseerd licht, zij een effectief veld konden genereren dat direct op de magnetische ordening werkt. Dit veld is sterk genoeg om de verankeringskrachten van de kristaldefecten te overwinnen en de domeinwanden op een voorspelbare, omkeerbare manier te verplaatsen. De bevindingen suggereren dat de sleutel tot het beheersen van deze materialen niet alleen ligt in de sterkte van het licht, maar in de wisselwerking tussen de door licht geïnduceerde beweging en de natuurlijke imperfecties van het kristal. Door te begrijpen hoe deze defecten de beweging stabiliseren, kunnen wetenschappers potentieel materialen ontwerpen met op maat gemaakte reacties, wat de deur opent naar nieuwe manieren om informatie op te slaan en te verwerken met behulp van de verborgen magnetische toestanden van de antiferromagneten.