Lichtflits maakt magnetische 'tweelingen' die veel langer standhouden dan verwacht
Sommige materialen hebben een verborgen magnetisch gedrag dat je niet met het blote oog ziet, maar wel met de juiste meetapparatuur. Onderzoekers schoten met een laser op zo'n materiaal en zagen iets dat ze niet verwacht hadden: een kwantumtoestand die honderd keer langer overleefde dan tot nu toe gedacht.
Het materiaal heet nikkeloxide (NiO). Dit is een antiferromagneet: een stof waarin de magnetische "pijltjes" van naburige atomen steeds de tegenovergestelde kant op wijzen. Die pijltjes kunnen samen trillen, en zo'n trilling heet een magnon. Het bijzondere: soms ontstaan er twee magnonen tegelijk, die met elkaar verbonden zijn. Dat heet een bimagnon, een soort magnetisch duo dat als één geheel reageert.
Eerdere metingen aan zulke magnon-duo's lieten zien dat ze heel snel uit elkaar vallen, binnen 200 femtoseconden. Een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste seconde, zo kort dat licht in die tijd niet verder komt dan de dikte van een haar. Die duo's leken dus bijzonder kwetsbaar.
Voorzichtig aantikken met licht
De onderzoekers gebruikten infraroodlicht, een lichtsoort net buiten wat wij kunnen zien, om het nikkeloxide heel precies aan te tikken. Ze kozen bewust voor licht met te weinig energie om elektronen los te maken. Daardoor bleef de magnetische ordening van het materiaal intact, zo bleek uit metingen: de eigenschappen van losse magnonen veranderden nauwelijks.
Om te zien wat er met de magnon-duo's gebeurde, gebruikten ze een techniek met röntgenlicht, RIXS genoemd. Dat is een soort extreem gevoelige stethoscoop voor magnetische trillingen in materialen. Daarmee zagen ze een signaal van gekoppelde magnon-paren verschijnen, dat pas na 4 picoseconden zijn hoogste punt bereikte. Een picoseconde is duizend keer langer dan een femtoseconde, maar nog steeds een biljoenste van een seconde. Die vertraging komt waarschijnlijk doordat de magnon-paren zich eerst door het materiaal moeten herverdelen voordat het signaal goed zichtbaar wordt.
Het echte verrassende nieuws kwam daarna: dit magnon-paar-signaal bleef bestaan met een levensduur van 28 picoseconden, met een onzekerheidsmarge van plus of min 11 picoseconden. Dat is meer dan honderd keer langer dan de 200 femtoseconden die eerder werden gemeten.
Wat betekent dit (nog) niet: dit is één meting van één onderzoeksteam aan één specifiek materiaal, nikkeloxide. Het betekent niet dat alle magnetische materialen zulke lang levende magnon-paren hebben, en het is geen bewijs voor een directe toepassing zoals een nieuwe soort geheugen of computer. Herhaling door andere teams en metingen aan andere materialen moeten uitwijzen hoe algemeen dit verschijnsel is.
Waarom is dit interessant? Zulke langlevende, gekoppelde kwantumtoestanden zijn eerder vooral gezien in extreem koude gaswolken, vlak bij het absolute nulpunt, in zorgvuldig gecontroleerde laboratoriumopstellingen. Dat iets vergelijkbaars nu opduikt in een gewoon vast materiaal bij een experiment met licht, laat zien dat vaste stoffen rijkere en langduriger kwantumgedrag kunnen vertonen dan gedacht. Dat opent nieuwe vragen over hoe magnetische deeltjes in materialen met elkaar samenwerken, lang nadat het licht alweer verdwenen is.
Bron: Long-lived light-driven bimagnons at finite momentum in NiO