Большинство людей знакомы с обычным магнетизмом. Если поднести магнитное поле к стрелке компаса, она повернется. Примерно так же ведут себя и микроскопические магнитики внутри таких материалов, как железо. Они выстраиваются вдоль внешнего поля.

Однако в мире физики существуют и другие, более экзотические свойства. Одно из них — ферроаксиальность. Ее можно назвать загадочным родственником магнетизма. Несмотря на это «родство», материалы с данным свойством остаются абсолютно равнодушными к любым известным физикам магнитным полям и просто не реагируют на них.

Если представить обычный магнитный материал как коллекцию крошечных стержневых магнитиков, то ферроаксиальный материал устроен иначе. Его внутреннюю структуру лучше сравнивать с набором диполей. Диполь — это пара противоположных электрических зарядов, разделенных небольшим расстоянием. В ферроаксиальных материалах эти диполи не просто статичны. Они организованы в микроскопические вихри, закрученные водовороты. До недавнего времени у ученых не было надежного способа управлять направлением этого вращения.

Физики отследили одиночный электрон за рекордное время

Обычный ток в проводнике течет миллиардами электронов. Но что если научиться управлять каждым из них по отдельности? Британские физики приблизились к этой задаче, поймав одиночный электрон за ничтожные триллионные доли секунды. Их эксперимент обещает изменить будущее электроники.

Международная группа физиков под руководством Чжияна Цзэна (Zhiyang Zeng) из Института структуры и динамики вещества Макса Планка в Германии удалось решить эту проблему. Они обнаружили, что контролировать ферроаксиальность можно с помощью коротких импульсов лазерного света — но не любого, а особого, циркулярно поляризованного Такой свет сам по себе обладает «закрученностью», он как бы вращается по спирали во время распространения.

В своем эксперименте ученые направили такие вихревые лазерные импульсы на кристалл, состоящий из рубидия, железа, молибдена и кислорода. Этот материал обладает выраженной ферроаксиальностью. Когда кружащийся свет попадал на кристалл, он передавал часть своего вращательного момента атомам материала. Этой энергии оказалось достаточно, чтобы переключить направление, в котором вращаются дипольные водовороты внутри кристалла. Фактически, ученые впервые получили пульт дистанционного управления для ферроаксиального состояния.

Михаэль Фёрст (Michael Först), соавтор исследования, пояснил, что потенциал света для управления материалами известен давно. С его помощью уже научились превращать проводники в изоляторы и проводить другие сложные манипуляции. Однако главной трудностью была точная настройка свойств света для контроля над конкретным свойством, таким как ферроаксиальность. «Их команде удалось найти нужную комбинацию параметров лазерного импульса

Независимые эксперты высоко оценили работу. Физик Тео Разинг (Theo Rasing) из Университета Неймегена в Нидерландах назвал результат «прекрасным доказательством принципа». Он подчеркнул, что это достижение пополнит арсенал инструментов для создания материалов нового поколения. В частности, речь идет о более эффективных и стабильных запоминающих устройствах.

Холодные атомы не поддались энтропии и отказались нагреваться

Если добавить энергию ультрахолодным атомам, они должны разлететься в разные стороны с разными скоростями. Однако квантовые эффекты могут этому помешать. Даже когда ученые снова и снова «пинали» такие атомы лазером, чтобы разрушить их строй и заставить хаотично двигаться, структура атомов оставалась упорядоченной. В классической физике любое добавление энергии рано или поздно приводит к хаосу и выравниванию температур. В новом эксперименте этого не произошло. Значит, в квантовом мире есть механизмы, способные обходить этот фундаментальный процесс.

Идея заключается в следующем: если направление ферроаксиального вращения можно переключать, то ему можно присвоить значения «ноль» и «единица» — базовые элементы хранения информации в компьютерах. Такие ячейки памяти, построенные на ферроаксиальных материалах, потенциально могут быть устойчивыми к внешним помехам, включая магнитные поля, и при этом очень быстрыми.

Несмотря на впечатляющий успех, до коммерческого применения технологии еще далеко. Как отмечает Фёрст, текущий эксперимент требовал охлаждения кристалла до очень низких температур — почти минус 70 градусов Цельсия. Кроме того, использовавшийся лазер имел большие габариты.

Следующим шагом для ученых станет поиск материалов, которые проявляют ферроаксиальность при комнатной температуре, а также разработка более компактных и практичных лазерных систем. Преодоление этих барьеров откроет дорогу к принципиально новым технологиям хранения данных, которые превзойдут по своим характеристикам все, что мы имеем сегодня.

Выводы ученых опубликованы в журнале Science.