Draaiende trillingen in een kristal blijken (bijna) geen magneet te maken
Kun je met licht een kristal tijdelijk in een magneet veranderen? Die vraag houdt natuurkundigen al jaren bezig. Een nieuw onderzoek zet daar nu een flinke domper op: het verschijnsel bestaat wel, maar is duizenden keren zwakker dan sommige eerdere metingen leken aan te tonen.
Het gaat om zogeheten circulaire fononen. Een fonon is een trilling die door de atomen in een kristal golft, een soort geluidsgolf op atomair niveau. Schijn je met een sterke infrarode laser op een kristal, dan kun je die atomen in een cirkelvormige beweging laten draaien, net als een skater die ronddraait met de armen uitgestrekt. Omdat atomen vaak elektrische lading dragen, zou zo'n ronddraaiende beweging in theorie een echt magneetveld kunnen opwekken, puur door het licht. Dat zou bijzonder zijn, want normaal gesproken heb je stroom of een magneet nodig om magnetisme te maken.
De afgelopen jaren beweerden verschillende onderzoeksgroepen dat ze precies dit hadden gezien. Ze deden dat door te meten hoe de polarisatie van licht draait wanneer het door het bestraalde kristal gaat, een effect dat bekendstaat als het Faraday-effect en dat normaal duidt op de aanwezigheid van magnetisme. Maar er was ook twijfel: dat signaal kan ook ontstaan door andere, minder bijzondere optische effecten die niets met echt magnetisme te maken hebben.
Twee metingen tegelijk
Om die onzekerheid op te lossen, deed een onderzoeksteam iets slims. Ze maten niet alleen de polarisatiedraaiing in het kristal zelf (siliciumcarbide, SiC), maar ook het magneetveld dat buiten het kristal lekt, met een aparte detector. Als er echt een magneet ontstaat, moet dat magneetveld namelijk ook buiten het materiaal meetbaar zijn.
Met een krachtige infraroodlaser (5 miljoen volt per centimeter) zagen ze, net als eerdere onderzoeken, een enorme polarisatiedraaiing in het kristal. Afhankelijk van hoe je die draaiing interpreteert, zou dat kunnen wijzen op een magnetisatie van wel 0,3 tesla, ter vergelijking: ongeveer net zo sterk als een stevige koelkastmagneet. Maar toen ze het magneetveld buiten het kristal direct maten, bleek de werkelijke magnetisatie kleiner dan 0,001 tesla. Dat is duizenden keren minder dan de hoogste schatting.
De conclusie: de grote polarisatiedraaiing die eerder werd gezien, komt dus vooral van iets anders dan echt magnetisme, waarschijnlijk van bijeffecten in de meetmethode zelf. Het magnetische effect van circulaire fononen bestaat wel, maar is piepklein.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit betekent niet dat circulaire fononen nutteloos zijn of niet bestaan. Het laat vooral zien dat je voorzichtig moet zijn met het interpreteren van optische metingen als bewijs voor magnetisme. Dit is bovendien één onderzoek, bij één type materiaal (siliciumcarbide) en bij één specifieke laserinstelling. Of dit ook geldt voor andere materialen en omstandigheden, moet nog verder onderzocht worden.
Dit soort precisiewerk is belangrijk omdat het een al langer lopende wetenschappelijke discussie helpt beslechten. Natuurkundigen willen weten of licht echt gebruikt kan worden om magnetische eigenschappen van materialen tijdelijk te veranderen, iets dat in de toekomst relevant zou kunnen zijn voor het snel schakelen van magnetische data-opslag. Deze meting laat zien dat die droom, in elk geval met dit type trilling, voorlopig nog ver weg is.
Bron: Circular phonons generate negligible magnetization in insulators