Neutronen zien hoe laserpulsen een magneet uit balans houden

Magneten zitten overal in computers, van harde schijven tot geheugen. Natuurkundigen willen de magnetische eigenschappen van een materiaal snel en precies kunnen sturen, bijvoorbeeld met licht. Dan moet je wel kunnen zien wat er binnenin gebeurt terwijl je het materiaal aanstuurt. Dat is lastig, want de meeste metingen zien alleen hoe het materiaal er vóór of na het aansturen bij ligt.

Onderzoekers van het Amerikaanse Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hebben dat nu wel gedaan. Ze brachten een magnetisch materiaal met snelle laserpulsen uit zijn rusttoestand en keken tegelijk met neutronen naar binnen. Hun resultaten verschenen in april in het vakblad Nature Communications. ORNL maakte het werk op 9 november bekend.

Golfjes in een magneet

In een magnetisch materiaal gedragen de atomen zich als piepkleine kompasnaaldjes. Die naaldjes kunnen samen in beweging komen: het ene naaldje kantelt een beetje, dan het volgende, zoals een wave door een voetbalstadion gaat. Zo'n golfje heet een magnon. Magnonen kunnen informatie vervoeren, en dat maakt ze interessant voor toekomstige elektronica.

Het team onderzocht een plat magnetisch materiaal waarin de naaldjes in een vierkant patroon liggen en om en om de andere kant op wijzen. Neutronen, deeltjes uit de atoomkern zonder elektrische lading, gaan makkelijk door zo'n materiaal heen. Onderweg kan een neutron een magnon maken en daarbij energie verliezen, of een magnon opnemen en energie winnen. Uit de energie van de neutronen die eruit komen, lezen de onderzoekers af wat de magnonen doen. Daarvoor gebruikten ze de Spallation Neutron Source van ORNL, een grote installatie die bundels neutronen maakt.

Een balans die niet meer klopt

In een materiaal in rust staan die twee soorten gebeurtenissen in een vaste verhouding, die alleen van de temperatuur afhangt. Natuurkundigen noemen dat 'detailed balance'. Onder de laserpulsen zagen de onderzoekers extra signaal aan maar één kant: er waren meer magnonen dan bij die temperatuur hoort. De balans was dus doorbroken.

Dat overschot bleef bestaan zolang de laser bleef pulsen. Volgens het team gaat het dus niet om een korte opwarming die meteen weer wegebt, maar om een stabiele toestand die de laser in stand houdt. Onderzoeker Chengyun Hua van ORNL zegt dat nog niemand zo'n doorbroken balans eerder rechtstreeks heeft gemeten in een vast materiaal.

Hua bedacht de aanpak samen met Barry Winn van ORNL en Alan Tennant van ORNL en de University of Tennessee. Ook een onderzoeker van het Japanse onderzoekscentrum J-PARC werkte mee. Volgens ORNL kan dezelfde combinatie van lasers en neutronen ook bij andere materialen laten zien wat er gebeurt terwijl ze worden aangestuurd.

Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?

Snellere en zuinigere computers hebben materialen nodig die je precies kunt sturen. Met deze meetmethode kunnen onderzoekers nu zien wat er in een magneet gebeurt terwijl licht hem aanstuurt, in plaats van alleen het resultaat achteraf. Volgens ORNL kan betere beheersing van zulke magneten ooit helpen om minder informatie te verliezen bij het doorgeven van gegevens, geheugen te verbeteren en kwantumtechnologie verder te brengen. Dit is fundamenteel onderzoek: een nieuw meetinstrument waarmee natuurkundigen de volgende stappen naar zulke toepassingen kunnen zetten.

Wat is de technologische singulariteit? Lees de uitleg →