Físicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) y el Instituto Niels Bohr en Copenhague, Dinamarca, han ideado un método para convertir un metal no magnético en un imán utilizando luz láser.

Los imanes y su campo magnético se producen típicamente por corrientes circulantes, como los que se encuentran en las bobinas electromagnéticas cotidianas. La "mano derecha" de estas bobinas, ya sea que estén enrolladas en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj, determina la dirección del campo magnético producido.

Los científicos teorizan que cuando los discos metálicos no magnéticos se iluminan con luz linealmente polarizada (luz que no posee ninguna mano propia), las corrientes eléctricas circulantes y, por lo tanto, el magnetismo pueden emerger espontáneamente en el disco.

Este método podría, en principio, convertir metales no ferrosos en imanes "a pedido" utilizando luz láser.

La nueva teoría del profesor asistente Justin Song de la Escuela de Ciencias Físicas y Matemáticas de la NTU y el profesor asociado Mark Rudner del Instituto Niels Bohr, fue publicado en la revista científica Física de la naturaleza a principios de este mes.

Al formular su propuesta, los científicos desarrollaron una nueva forma de pensar sobre la interacción entre la luz y la materia. Utilizaron una combinación de cálculos de lápiz y papel y simulaciones numéricas para diseñarlo.

El profesor asistente Song dijo que su esquema es un ejemplo de cómo las interacciones novedosas y fuertes entre la luz y la materia podrían usarse para crear propiedades materiales "a pedido". Si se realiza experimentalmente, esto abriría una amplia variedad de aplicaciones potenciales en una gama de materiales plasmónicos de alta calidad como el grafeno.

Aprovechamiento de campos plasmónicos

Se piensa convencionalmente que las propiedades de muchos materiales son fijas, determinada por la disposición de sus átomos a nanoescala. Por ejemplo, la configuración de los átomos en un material determina si conduce la electricidad fácilmente o tiene un comportamiento aislante / no conductor.

Song y Rudner querían explorar cómo los plasmones (oscilaciones locales de carga en metales) y los intensos campos eléctricos oscilantes que crean, se puede utilizar para alterar las propiedades del material.

Como la luz se compone de fotones, la oscilación del plasma consiste en plasmones, un tipo de cuasipartícula. Los plasmones tienden a oscilar y moverse en la misma dirección que el campo que lo impulsa (por ejemplo, la dirección de polarización del campo de luz).

Sin embargo, los científicos descubrieron que cuando la irradiación de la luz es lo suficientemente fuerte, los plasmones en un disco metálico no magnético pueden rotar espontáneamente ya sea de manera zurda o diestra, incluso cuando es impulsado por luz linealmente polarizada.

"Esta fue una señal de que las propiedades intrínsecas del material se habían alterado, ", dijo el profesor asistente Song." Descubrimos que cuando los fuertes campos internos de un plasmón modifican la estructura de la banda electrónica de un material, también transforman el plasmón. estableciendo un circuito de retroalimentación que permite que el plasmón exhiba espontáneamente una quiralidad ".

Este movimiento quiral del plasmón produjo una magnetización que luego hizo el disco metálico no magnético de su esquema, magnético.

Los científicos dicen que la observación clave en su análisis teórico es que los intensos campos eléctricos plasmónicos oscilantes pueden modificar la dinámica de los electrones en el metal.

El profesor asociado Rudner dijo:"Desde el punto de vista de un electrón dentro de un material, un campo eléctrico es un campo eléctrico:no importa si este campo oscilante se produjo a partir de plasmones dentro del material mismo o por un láser que brilla sobre el material ".

Song y Rudner utilizaron esta información para demostrar teóricamente las condiciones en las que la retroalimentación de los campos internos de los plasmones podría desencadenar una inestabilidad hacia la magnetización espontánea en el sistema. El equipo espera que este enfoque teórico pueda realizarse en una variedad de materiales plasmónicos de alta calidad como el grafeno.

Comportamiento emergente

La noción de usar la luz para alterar las propiedades de un material ha ganado mucha atención científica recientemente. Sin embargo, muchos de los ejemplos publicados imbuyen un material con propiedades presentes en la irradiación de luz (por ejemplo, irradiando un material con luz polarizada circularmente, un material puede adquirir quiralidad o destreza) o mejorar cuantitativamente una propiedad que ya estaba presente en el material.

La investigación de Song y Rudner, en contraste con estos enfoques, ha ido mucho más lejos, ellos dicen.

“Descubrimos que los plasmones pueden adquirir una especie de 'vida separada' o 'emergencia' con nuevas propiedades que no estaban presentes ni en el metal que alberga los plasmones ni en el campo de luz que los impulsaba, "Agregó el profesor asistente Song. El comportamiento del plasmón fue emergente en el sentido de que rompió las simetrías intrínsecas tanto del campo de luz como del metal.

Comportamiento emergente donde el todo es más que la suma de sus partes, surge cuando muchas partículas interactúan entre sí para actuar de forma colectiva. Es responsable de una serie de fases útiles de la materia, como ferromagnetos y superconductores, que normalmente están controlados por la temperatura. La investigación del equipo extiende esta idea a los plasmones y propone cómo se puede controlar mediante irradiación de luz.

"En un nivel más profundo, Hay muchas preguntas fundamentales para explorar acerca de la naturaleza de la ruptura espontánea de la simetría sin equilibrio ("emergencia") que predijimos, ", dijo el profesor asociado Rudner.

Asistente del profesor Song, becario de la National Research Foundation (NRF) de Singapur, acordado, diciendo "Quizás el mensaje para llevar a casa más significativo de nuestro trabajo es que muestra que los modos colectivos pueden exhibir distintas fases nuevas. Si el magnetismo plasmónico es posible, ¿Qué otras fases de los modos colectivos esperan ser descubiertas? "