室温下的量子行为：当激光使材料具有磁性时

斯特凡诺·博内蒂（Stefano Bonetti）在斯德哥尔摩大学的实验室里。图片来源：克努特和爱丽丝·瓦伦堡基金会/马格努斯·伯格斯特伦

量子技术的潜力是巨大的，但今天在很大程度上仅限于实验室的极冷环境。现在，来自斯德哥尔摩大学、北欧理论物理研究所和威尼斯卡福斯卡里大学的研究人员首次成功地证明了激光如何在室温下诱导量子行为，并使非磁性材料具有磁性。这一突破有望为更快、更节能的计算机、信息传输和数据存储铺平道路。

在几十年内，量子技术的进步有望彻底改变社会的几个最重要的领域，并为通信和能源领域的全新技术可能性铺平道路。该领域的研究人员特别感兴趣的是量子粒子的特殊和奇异的性质，这些粒子完全偏离了经典物理定律，可以使材料具有磁性或超导性。

通过增加对这种量子态如何以及为什么产生的确切理解，目标是能够控制和操纵材料以获得量子力学特性。

到目前为止，研究人员只能在极冷的温度下诱导量子行为，例如磁性和超导性。因此，量子研究的潜力仍然局限于实验室环境。

现在，来自瑞典斯德哥尔摩大学和北欧理论物理研究所（NORDITA）、美国康涅狄格大学和SLAC国家加速器实验室、日本筑波国家材料科学研究所、意大利的里雅斯特Elettra-Sincrotrone大学、罗马“Sapienza”大学和威尼斯大学的研究团队， 是世界上第一个在实验中证明激光如何在室温下在非磁性材料中感应磁性的实验。

在发表在《自然》杂志上的这项研究中，研究人员将量子材料钛酸锶置于具有特殊波长和偏振的短而强烈的激光束中，并产生感应磁性。

“这种方法的创新在于让光以圆周运动的方式移动这种材料中的原子和电子，从而产生电流，使其像冰箱磁铁一样具有磁性。我们已经能够通过开发一种具有“开瓶器”形状的偏振的远红外新光源来做到这一点，“斯德哥尔摩大学和威尼斯大学的研究负责人Stefano Bonetti说。

“这是我们第一次能够在实验中诱导并清楚地看到材料在室温下如何变得具有磁性。此外，当磁铁通常由金属制成时，我们的方法允许用许多绝缘体制造磁性材料。从长远来看，这为社会的全新应用打开了大门。

该方法基于“动态多铁性”理论，该理论预测，当钛原子在以钛和锶为基的氧化物中被圆偏振光“搅动”时，将形成磁场。但直到现在，这个理论才能在实践中得到证实。这一突破有望在多种信息技术中得到广泛应用。

“这为超快磁性开关开辟了大门，可用于更快的信息传输和更好的数据存储，以及更快、更节能的计算机，”NORDITA物理学教授Alexander Balatsky说。

事实上，该团队的结果已经在其他几个实验室中复制，同一期《自然》杂志上的一篇论文表明，这种方法可用于编写并存储磁性信息。开启了利用光设计新材料的新篇章。

更多信息：Stefano Bonetti，SrTiO 中的太赫兹电场驱动的动态多铁性3，自然（2024 年）。DOI： 10.1038/s41586-024-07175-9.www.nature.com/articles/s41586-024-07175-9

期刊信息： Nature