Vedcom sa podarilo uväzniť svetlo v magnete: Materiálu to dalo výnimočné vlastnosti

Výskumníkom z City College of New York sa v rámci novej štúdie podarilo uväzniť svetlo vo vnútri magnetických materiálov. To môže viesť k drastickému zlepšeniu ich prirodzených vlastností.

Ako vedci vysvetľujú, silná optická responzivita magnetov hrá mimoriadne dôležitú úlohu pri vývoji magnetických laserov alebo magneticko-optických pamäťových zariadení. Autori v rámci svojej práce publikovanej v Nature opísali vlastnosti niekoľkovrstvového magnetu, ktorý ukrýva pevne naviazané excitóny, teda kvázičastice s obzvlášť silnými optickými interakciami. Práve kvôli tomu dokáže materiál sám od seba „uväzniť“ svetlo.

Excitón považujeme za viazaný stav elektrónu a elektrónovej diery. Tieto dve štruktúry sa k sebe navzájom priťahujú elektrostatickou Columbovou silou. Excitón je elektricky neutrálna častica existujúca v izolantoch, polovodičoch a v niektorých kvapalinách.

Ak hovoríme o schopnosti uväzniť svetlo, táto vlastnosť je typicky dosiahnutá tak, že sa zmení uhol pod akým svetlo v materiáli cestuje. Zatiaľ nie je možné uväzniť svetlo na dlhú dobu, no vedci neustále hľadajú spôsoby, ako lepšie pochopiť vlastnosti svetla a ich interakciu s materiálmi.

Jedno z odvetví výskumu predstavujú takzvané metamateriály, ktoré majú špeciálne štruktúry na mikroskopickej škále. Tieto metamateriály umožňujú manipulovať svetlom tak, že sa správa podobne ako v iných prostrediach.  Pod metamateriálmy sa však myslia všeobecne špeciálne druhy umelých materiálov. Tie sa nemusia vyznačovať len nezvyčajnými optickými, ale aj elektrickými či magnetickými vlastnosťami na dosiahnutie určitých efektov. Tieto vlastnosti sa nevyskytujú pri bežných materiáloch.

Pozoruhodné magneticko-optické vlastnosti

Zároveň sa autorom podarilo dokázať, že optické reakcie tohto nového materiálu na magnetické fenomény sú niekoľkonásobne silnejšie než pri bežných magnetoch. Vysvetľujú to tým, že svetlo sa vo vnútri magnetu odráža z jednej strany na druhú, čím sa interakcie posilňujú. Napríklad ak aplikujú na magnet externé magnetické pole, odraz svetla v blízkom infračervenom spektre naberá takú silu, že materiál zmení svoju farbu. Autori štúdie vysvetľujú, že ide o mimoriadne silnú magneto-optickú reakciiu. Magneto-optický efekt môže predstavovať jeden z mnohých fenoménov, v rámci ktorého sa elektromagnetická vlna propaguje cez médium ovplyvnené prítomnosťou kvázistatického magnetického poľa.

„Typicky svetlo nereaguje tak silno na magnetizmus. Preto technologické aplikácie založené na magneto-optických javoch častokrát potrebujú implementáciu citlivých optických nástrojov,“ tvrdí vedúci štúdie, doktor Florian Dirnberger.

Zachytávanie svetla vo vnútri magnetických materiálov môže dramaticky zlepšiť ich vnútorné vlastnosti. V bežnom živote by mohol tento nový materiál pomôcť pri rôznych technologických aplikáciách, ktoré sa prevažne zakladajú na magneticko-elektrických javoch. S týmto novým magneticko-optickým javom môžu vedci jedného dňa vyvinúť napríklad magnetický laser, alebo sa môžu vrátiť k starším konceptom opticky riadenej magnetickej pamäte.

Vytvorenie materiálu schopného uväzniť svetlo vznikalo v spolupráci výskumníkov z niekoľkých krajín sveta. Na výskume pracovali vedci zo Spojených štátov, Španielska, Nemecka a Česka.