13. september 2019

Næsten magisk: Forskere forvandler metaller til magneter med laserlys

faststoffysik

Som de første har fysikere fra Københavns Universitet og Nanyang Technological University i Singapore fundet en metode til at få ikke-magnetiske materialer til at gøre sig selv magnetiske ved brug af laserlys. Det nye fænomen kan også bruges til at give mange andre materialer egenskaber, de ikke havde i forvejen.

Forsker og lektor Mark Rudner fra Niels Bohr Institutet.

Normalt går man ud fra, at mange metaller har de egenskaber, de nu engang har, fordi deres atomer er arrangeret på en bestemt måde på nanoskala. Atomernes struktur bestemmer fx om et materiale fungerer godt som elektrisk ledning, og om det er magnetisk eller ej. Skal man ændre på et materiales iboende egenskaber, sker det hovedsageligt med brug af kemi.

Men nu har to forskere fra henholdsvis Københavns Universitet og Nanyang Technological University i Singapore opdaget et helt nyt fænomen: Nemlig at et metal er i stand til at forvandle sig selv indefra og pludselig opnå egenskaber, som det ikke havde i forvejen, hvis det bliver bestrålet med laserlys.

”Vi har i flere år undersøgt, hvordan vi kan ændre et materiales egenskaber ved at bestråle det med en bestemt type lys. Det nye er, at vi nu ikke alene kan ændre egenskaberne med lys, der kommer udefra, men at vi kan få materialet til at forandre sig selv indefra og overgå til en ny fase med helt nye egenskaber. Det får så at sige sit ’eget liv’. I dette tilfælde ændrer et ikke-jernholdigt materiale sig til pludselig at blive en magnet,” siger forsker og lektor Mark Rudner fra Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Han og forskerkollega Justin Song fra Nanyang Technological University har gjort opdagelsen, som er publiceret i tidsskriftet Nature Physics. Idéen om at bruge lys til at ændre et materiales egenskaber er ikke ny. Men hidtil har andre forskere kun vist at kunne manipulere egenskaber, som materialet havde i forvejen. At give metallet sit ’eget liv’ med nye egenskaber, som ikke var tilstede i metallet før, er ikke set tidligere.

Forskerne har gennem et teoretisk analyse påvist, at når en ikke-magnetisk metalskive bliver belyst af lineært polariseret lys, kan der spontant opstå cirkulerende elektriske strømme og dermed magnetisme i skiven.

Det er de såkaldte plasmoner (en type elektronbølger) i materialet, som forskerne bruger til at ændre materialets egenskaber. Når materialet bliver bestrålet med laserlys, begynder plasmonerne inde i metalskiven at rotere enten i eller imod urets retning. Men idet plasmonerne ændrer materialets båndstruktur, ændrer det samtidig plasmonerne selv og sætter et feedback-loop i gang. Feedback fra plasmonernes indre elektriske felter får plasmonerne til at bryde sin symmetri og udløser en ustabilitet, som gør metallet magnetisk.  

Teknik kan fremstille egenskaber ’on demand’

Ifølge Mark Rudner åbner den nye teori op for en helt ny tankegang og antageligt et lang række anvendelsesmuligheder:

”Det er et eksempel på, hvordan samspil mellem lys og stof kan bruges til at fremstille bestemte egenskaber i et materiale ’on demand’. Og det baner det vejen for en masse måder at udnytte det på, idet princippet er ret generelt og kan virke på mange slags materialer. Vi har vist, at vi kan forvandle materialet til en magnet. Men så kan vi måske også ændre det til en superleder eller noget tredje eller fjerde, ” siger Mark Rudner og tilføjer:

”Man kan kalde det for det 21. århundredes form for alkymi. I middelalderen var folk fascinerede af udsigten til at forvandle bly til guld. I dag får vi i stedet et materiale til at opføre sig som et andet ved at stimulere det med laser.”

Ifølge Mark Rudner er princippet fx anvendeligt i tilfælde, hvor man har brug for, at et materiale nogle gange er magnetisk og nogle gange ikke. Et andet område, hvor det kan være meget anvendeligt er i opto-elektronik – altså kombinationen af lys og elektronik, som man fx bruger i fiber-internet og i udvikling af sensorer.

Forskernes næste skridt er at finde flere eksempler på fænomenet.