Işık ile manyetik olmayan metaller mıknatıslanabilir mi?

Singapur’ daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi (NTU Singapur) ve Danimarka Kopenhag’ daki Niels Bohr Enstitüsü’ nden fizikçiler, manyetik olmayan metalleri, lazer ışığını kullanarak bir mıknatısa dönüştürmek için bir yöntem geliştirdiler.
Mıknatıslık ve manyetik alanları, tipik olarak bildiğimiz elektromanyetik bobinlerdeki gibi dolaşımdaki akımlarla, üretilir. Bu bobinler; ‘ışığın hakimiyeti’ – saat yönünde mi yoksa saatin tersi yönünde mi sarıldığına bakılmaksızın – üretilen manyetik alanın yönünü, belirler.

Bilim insanları, manyetik olmayan metalik disklerde; kendi içindeki dolaşımda herhangi bir elektrik akımına sahip olunmadığını, kendiliğinden ortaya çıkan elektrik akımlarının ise ; doğrusal olmayan polarize ışığın ışığıyla aydınlatıldığında, diskette kendiliğinden ortaya çıkabileceği konusundaki teorileri savunmaktalar.
Bu yöntem prensip olarak demir dışı metalleri, lazer ışığı kullanarak “talep üzerine” mıknatıs haline dönüştürebilmesidir. NTU’ nun Fiziksel ve Matematiksel Bilimler Okulu’ ndan Yardımcı Doçent Justin Song ve Niels Bohr Enstitüsü’ nden Doçent Doktor Mark Rudner’ ın yeni teorisi, bu ayın başlarında Nature Physics adlı bilim dergisinde yayımlandı.
Önerilerini formüle ederken, bilim insanları ışık ile madde arasındaki etkileşim hakkında yeni bir düşünme yolu geliştirdiler. Bunu yapmak için kalem-kağıt hesaplamaları ve sayısal simülasyonların bir kombinasyonunu kullandılar.
Prof Song, planlarının “talep üzerine” maddi özellikler yaratmak için yeni güçlü ve hafif madde etkileşimlerinin nasıl kullanılabileceğinin bir örneği olduğunu söyledi. Eğer deneysel olarak gerçekleştirilirse, bu, grafen gibi bir dizi yüksek kaliteli plazmonik materyalde çok çeşitli potansiyel uygulamaları açacaktır.

Plazmonik alanların kullanılması

Işık ile manyetik olmayan metaller mıknatıslanabilir mi?

Pek çok malzemenin özellikleri; atomlarının nano ölçekte düzenlenmesiyle beraber genel olarak sabit olduğu düşünülmektedir. Örneğin, bir malzemedeki atomların konfigürasyonu; elektriğin kolayca iletilip iletilmediğini veya yalıtıcı / iletken olmayan davranışa sahip olup olmadığını belirler.
Song ve Rudner, plazmonların – metallerde yerel olarak oluşan şarj salınımlarının – ve oluşturdukları yoğun salınımlı elektrik alanlarının, malzeme özelliklerini değiştirmek için nasıl kullanılabileceğini araştırmak istedi. Işığın fotonlardan oluştuğu gibi, plazma salınımı da bir tür quasiparticle olan plazmonlardan oluşur.
Plazmonlar, salınım yapma ve onu süren alanla aynı yönde hareket etme eğilimindedir (örneğin, ışık alanının kutuplanma yönü). Bununla birlikte, bilim insanları, ışık ışıması yeterince güçlü olduğunda, manyetik olmayan metalik bir diskteki plazmonların, doğrusal olarak polarize ışıkla tahrik edildiğinde bile, solak veya sağ el şeklinde kendiliğinden dönebildiğini bulmuşlardır.
Asst Prof Song, “Bu, malzemenin kendine özgü özelliklerinin, değiştirildiğinin bir imzasıydı” dedi. “Bir plazmanın güçlü iç alanları, bir malzemenin elektronik bant yapısını değiştirdiğinde, plazmanın kendiliğinden bir kiralite göstermesini sağlayan bir geri besleme döngüsü kurarak plazmayı da dönüştüreceğini gördük”. Plazmanın bu kiral hareketi, mıknatıslanma üretti; bu da yapısında manyetik olmayan metal disklerini, manyetik hale getirdi.
Bilim insanları, teorik analizlerinde gözlenen en önemli gözlemin; yoğun plazmonik salınımlı elektrik alanlarının metaldeki elektronların dinamiklerini değiştirebileceğini söylüyorlar. Assoc Prof Rudner şunları söyledi: “Bir malzemenin içindeki bir elektronun bakış açısından, bir elektrik alan bir elektrik alandır:
Bu salınımlı alanın; malzemenin içindeki plazmadan mı yoksa bir lazer ışınıyla mı üretildiği, önemli değildir. Song ve Rudner bu görüşü, plazmonların iç alanlarından gelen geri beslemelerin sistemdeki spontan mıknatıslanma yolunda dengesizliği tetikleyebileceği durumları teorik olarak göstermek için kullandı. Ekip, bu teorik yaklaşımın grafen gibi bir dizi yüksek kaliteli plazmonik malzemede, gerçekleştirilebileceğini umuyor.

Acil davranış

Bir malzemenin özelliklerini değiştirmek için ışık kullanma nosyonu son zamanlarda çok fazla bilimsel dikkat çekmiştir. Bununla birlikte, yayınlanmış örneklerin birçoğu, ışık ışınlamasında mevcut olan özelliklere sahip bir materyali (örneğin, dairesel olarak polarize ışıkla bir malzemeyi ışınlayarak, bir malzeme kiralite veya el ile kullanıma hazır hale gelebilir) empoze eder veya halihazırda daha önce mevcut olan bir özelliği kantitatif olarak arttırır.
Song ve Rudner’ ın araştırması, bu yaklaşımların aksine daha ileri gidebileceğini gösteriyor.

Asst Prof Song, “Plazmonların, plazmaları barındıran metalde veya onu süren ışık alanında mevcut olmayan yeni özelliklerle bir tür“ ayrı yaşam ”veya“ ortaya çıkma gibi ”elde edebileceğini bulduk” dedi. Plazmonun davranışı, hem ışık alanının hem de metalin içsel simetrisini kırdığı anlamında ortaya çıktı.
Bütünü, parçalarının toplamından daha fazla olduğu ortaya çıkan davranış, birçok parçacığın kolektif bir şekilde hareket etmesi için birbirleriyle etkileşime girmesiyle ortaya çıkar. Ferro manyetikler ve süper iletkenler gibi, tipik olarak sıcaklık tarafından kontrol edilen bir dizi yararlı faz evresinden sorumludur.
Takımın araştırması, bu fikri plazmaya genişletiyor ve ışık ışıması ile nasıl kontrol edilebileceğini ortaya koyuyor. Assoc Prof Rudner, “Daha derin bir seviyede, denge dışı spontan simetri kırılmasının (” ortaya çıkma “) doğası hakkında tahmin ettiğimiz birçok temel soru var,” dedi. Prof Song’ un kabul ettiği gibi, “Çalışmamızın belki de en anlamlı eve dönüş mesajı; kolektif modların farklı yeni aşamalar gösterebileceğini göstermesidir.
Plazmonik manyetizma mümkünse, başka hangi kolektif modların ortaya çıkmasını bekliyoruz?”