Μαγνήτες από φως δημιουργούν Έλληνες ερευνητές. Femtosecond switching of magnetism via strongly correlated spin–charge quantum excitations

Magnetic structure in a colossal magneto-resistive manganite is switched from antiferromagnetic to ferromagnetic ordering during about 100 femtosecond laser pulse photo-excitation (credit: DOE Ames Laboratory)

Ένα νέο τρόπο για να δημιουργήσουν μικρούς μαγνήτες χρησιμοποιώντας φως, ανακάλυψαν Έλληνες ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Κρήτης και το Ίδρυμα Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ), σε συνεργασία με αμερικανούς επιστήμονες από το Ερευνητικό Κέντρο Ames. Χάρη στα κβαντικά «παιχνίδια» με το φώς, οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές και οι άλλες συσκευές μπορεί να έχουν πολύ πιο γρήγορα μαγνητικά μέσα (μνήμες και σκληρούς δίσκους) στο μέλλον και έτσι θα μπορούν να «σκέφτονται» εξίσου πιο γρήγορα.

A three-dimensional view demonstrating the distinct femtosecond spin and charge dynamics as well as photo-excitation threshold behaviour. Researchers at the U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory, Iowa State University, and the University of Crete in Greece have found a new way to switch magnetism that is at least 1000 times faster than currently used in magnetic memory technologies.

Η ανακάλυψη του φαινομένου του λεγόμενου «Κβαντικού Φεμτο-Μαγνητισμού» έγινε από την ερευνητική ομάδα του καθηγητή Φυσικής του Πανεπιστημίου Κρήτης και του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του ΙΤΕ Ηλία Περάκη, σε συνεργασία με την ομάδα του επίκουρου καθηγητή Φυσικής του Πανεπιστημίου της Αϊόβα και του Εργαστηρίου Ames των ΗΠΑ Jigang Wang και δημοσιεύτηκε στο διεθνούς κύρους περιοδικό «Nature».

Η νέα έρευνα στο πεδίο της μαγνητο-οπτικής τεχνολογίας ανοίγει πλέον το δρόμο για τη δημιουργία συσκευών που θα λειτουργούν 1.000 φορές γρηγορότερα, με ταχύτητες τουλάχιστον 10 terahertz (1.012 hertz) αντί για 10 gigahertz (109 hertz) όπως συμβαίνει μέχρι σήμερα.

Φωτίζοντας οξείδια του μαγγανίου με υπερ-βραχείς παλμούς λέιζερ, οι ερευνητές κατάφεραν μέσα σε ένα δισεκατομμυριοστό του χιλιοστού του δεκάτου του δευτερολέπτου (100 φεμτο-δευτερόλεπτα) να αλλάξουν τη μαγνητική τους κατάσταση από αντιφερρομαγνήτη σε φερρομαγνήτη. Με αυτό τον τρόπο, κατόρθωσαν να μαγνητίσουν την ύλη με ταχύτητα 1.000 φορές μεγαλύτερη από αυτή στις πιο γρήγορες σημερινές μαγνητικές μνήμες ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Αυτού του είδους οι γρήγορες αλλαγές της μαγνητικής κατάστασης αποτελούν τη βάση ενός «μαγνητικού διακόπτη», με ευρείες εφαρμογές από γρήγορες μνήμες και σκληρούς δίσκους μέχρι τη συλλογή ενέργειας με μελλοντικά φωτοβολταϊκά συστήματα.

«Μια από τις προκλήσεις που αντιμετωπίζει η υλοποίηση της μαγνητικής εγγραφής, ανάγνωσης, αποθήκευσης, και επεξεργασίας δεδομένων, είναι η ταχύτητα. Η τεχνολογία επιτάσσει η σημερινή ταχύτητα να αυξηθεί κατά μερικές τάξεις μεγέθους, σε πολλά terahertz. Στο μέλλον, τέτοιες συσκευές θα πρέπει να ‘σκέφτονται’ μέσα σε απίστευτα μικρούς χρόνους μερικών φεμτο-δευτερολέπτων, δηλαδή μέσα σε δισεκατομμυριοστά του χιλιοστού του δεκάτου του δευτερολέπτου. Εμείς δείξαμε ότι μπορούν να το πετύχουν, αν τις μάθουμε κβαντομηχανική και τις φωτίσουμε με υπερ-βραχείς παλμούς φωτός λέιζερ», δήλωσε ο κ. Περάκης, σύμφωνα με ανακοίνωση του ΙΤΕ.

A quantum many-body scheme for femtosecond switching of magnetism and ultrafast photo-induced spin dynamics in Pr0.7Ca0.3MnO3.

Η πειραματική επιβεβαίωση της παραπάνω ιδέας έγινε από την ομάδα του Jigang Wang στο Εργαστήριο Ames του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, με βάση τη θεωρία που ανέπτυξε η ελληνική επιστημονική ομάδα στην Κρήτη.

Perakis Ilias Professor & Chairman of the Department of Materials Science.

«Τα αποτελέσματά μας ανοίγουν ένα νέο δρόμο, που μπορεί να οδηγήσει την τεχνολογία να επιτύχει το άνω επιτρεπτό όριο ταχύτητας επεξεργασίας της πληροφορίας. Αυτό είναι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της σπιντρονικής, δηλαδή της νέας τεχνολογίας που θα βασίζεται στο ‘σπιν’, αντί στο φορτίο του ηλεκτρονίου, όπως οι σημερινές ηλεκτρονικές συσκευές», τόνισε ο κ. Περάκης.

Η NASA θα «απαγάγει» έναν αστεροειδή. NASA Plans to Kidnap an Asteroid for Further Study

Καλλιτεχνική άποψη της “σύλληψης”  ενός αστεροειδούς με διάμετρο 7 μέτρων και μάζας 500 τόνων. An artist's illustration of an asteroid retrieval spacecraft capturing a 500-ton asteroid that is about 7 meters wide. CREDIT: Rick Sternbach/Keck Institute for Space Studies

Η NASA έδωσε στη δημοσιότητα ένα εκπληκτικό βίντεο στο οποίο ο θεατής βλέπει το πώς θα εξελιχθεί μια από τις πιο φιλόδοξες αποστολές που σχεδιάζει η NASA. Η Aμερικανική Yπηρεσία Διαστήματος αναζητεί τρόπο ώστε να «συλλάβει» ή καλύτερα να... απαγάγει έναν μικρό αστεροειδή, να τον βγάλει από την τροχιά του και να τον τοποθετήσει σε τροχιά γύρω από τη Σελήνη.

Στόχος του εγχειρήματος είναι να λειτουργήσει ο αστεροειδής ως πεδίο εκπαίδευσης αστροναυτών για μια επόμενη επανδρωμένη αποστολή σε κάποιον άλλον μεγάλο αστεροειδή ο οποίος θα έχει μεγάλο εξερευνητικό ενδιαφέρον.

Η «απαγωγή»

NASA is planning a near-Earth rock-hounding expedition. (Credit: NASA/JPL Near-Earth Object Program Office)

Την ιδέα ανέπτυξαν επιστήμονες του Ινστιτούτου Διαστημικών Μελετών Keck το οποίο αποτελεί τμήμα του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech). Eνα ρομποτικό σκάφος θα πλησιάσει έναν μικρό αστεροειδή και θα τον «φυλακίσει» μέσα σε έναν διαστημικό σάκο.

An asteroid is scouted out...

Στη συνέχεια το σκάφος θα μεταφέρει τον σάκο κοντά στη Σελήνη και θα απελευθερώσει τον αστεροειδή ο οποίος θα τεθεί σε τροχιά γύρω από τον φυσικό μας δορυφόρο. Θα ακολουθήσει μια επανδρωμένη αποστολή στον αστεροειδή ώστε οι αστροναύτες να πραγματοποιήσουν ασκήσεις και να προετοιμαστούν για μια επόμενη αποστολή σε κάποιον μεγάλο και σημαντικό από επιστημονική σκοπιά αστεροειδή.

Then the giant space vacuum will snare the its victim...

Το όλο εγχείρημα της... απαγωγής του αστεροειδούς και της τοποθέτησής του σε τροχιά γύρω από τη Σελήνη εκτιμάται ότι θα διαρκέσει δέκα χρόνια και το κόστος του θα ανέλθει σε 2.65 δισ. δολάρια. Όπως έγινε γνωστό, η NASA ζήτησε από την κυβέρνηση Ομπάμα 100 εκατομμύρια δολάρια για να ξεκινήσει η προετοιμασία του σχεδίου.

Το... αρπακτικό

Η αποστολή θα βασιστεί σε ένα σκάφος 18 τόνων που θα κυνηγήσει έναν μικρό αστεροειδή ο οποίος θα πρέπει να έχει διάμετρο περίπου επτά μέτρων. Το σκάφος θα διαθέτει δύο «πτερύγια» που θα είναι εφοδιασμένα με ηλιακές κυψέλες οι οποίες θα το τροφοδοτούν με ενέργεια.

...and then the asteroid gets wrapped up just like you do with a rubbish bag.

Ένας πιθανός στόχος, σύμφωνα με τους ειδικούς του Keck, είναι ο αστεροειδής 1999 Α010. Το σκάφος θα τον πλησιάσει και θα ξεδιπλώσει έναν τεράστιο φουσκωτό σάκο μέσα στον οποίο θα «εγκλωβιστεί» ο αστεροειδής. Στη συνέχεια το σκάφος θα απελευθερώσει τον αστεροειδή σε ένα σημείο όπου η βαρυτική έλξη της Σελήνης θα τον μετατρέψει ουσιαστικά σε... δορυφόρο της.

Ενδείξεις για εντοπισμό σωματιδίων σκοτεινής ύλης. Dark matter experiment CDMS sees three tentative clues

The Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) experiment is one of several major international collaborations that has been searching for dark matter since 2003. The experiment uses very sophisticated detector technology and advanced analysis techniques to enable cryogenically cooled (almost absolute zero temperature at -460 degrees F) germanium and silicon targets to search for the rare recoil of dark matter particles.

Αμερικανοί επιστήμονες ανακοίνωσαν τις πρώτες ενδείξεις για την ανίχνευση σωματιδίων της μυστηριώδους σκοτεινής ύλης, από ένα υπόγειο εργαστήριο, εκατοντάδες μέτρα κάτω από την επιφάνεια, σε ένα πρώην ορυχείο στη Μινεσότα των ΗΠΑ.

Αν και εκτιμάται ότι αποτελεί περίπου το 27% του σύμπαντος, κανείς δεν έχει καταφέρει ως τώρα να δει τη σκοτεινή ύλη. Οι προσπάθειες για τον εντοπισμό της γίνονται τόσο από το διάστημα (από το Άλφα Μαγνητικό Φασματόμετρο πάνω στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό), όσο και από τη Γη (CERN), αλλά κυρίως στα έγκατά της, ώστε να αποφεύγονται οι παρεμβολές από την κοσμική ακτινοβολία που πέφτει στην επιφάνεια του πλανήτη μας.

Το πείραμα CDMS πραγματοποιείται σε υπόγειο ορυχείο στη Μινεσότα. The CDMS experiment is based underground at the Soudan mine in Minnesota, US. Photo: Reidar Hahn, Fermilab

Οι ερευνητές του πειράματος CDMS (Cryogenic Dark Matter Search), που διευθύνεται από το Εθνικό Εργαστήριο Φέρμι του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας, οι οποίοι έκαναν τη σχετική ανακοίνωση σε συνέδριο της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρίας, σύμφωνα με το BBC, δήλωσαν ότι οι υπόγειοι ανιχνευτές τους εντόπισαν τρία «σήματα», που πιθανώς προέρχονται από τη σκοτεινή ύλη, καθώς προσκρούει πάνω σε σωματίδια της κανονικής ύλης. Όμως διευκρίνισαν ότι είναι νωρίς να μιλήσουν για ανακάλυψη, καθώς χρειάζονται περισσότερα δεδομένα για να επιβεβαιώσουν ότι όντως πρόκειται για τη σκοτεινή ύλη.

Τα αποτελέσματα του πειράματος δημοσιεύονται με τίτλο “Dark Matter Search Results Using the Silicon Detectors of CDMS II”.

Η ύλη-φάντασμα, που μεταξύ άλλων συγκρατεί τους γαλαξίες, αντιδρά μόνο ασθενώς με την ορατή ύλη, γι’ αυτό τα υποθετικά σωματίδιά της έχουν αποκληθεί «ασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια» (WIMP). Το πείραμα CDMS προσπαθεί να «πιάσει» αυτά τα φευγαλέα σωματίδια τις σπάνιες στιγμές που, όπως οι επιστήμονες πιστεύουν, προσκρούουν, βαθιά μέσα στο υπέδαφος, πάνω σε ατομικούς πυρήνες κανονικής ύλης (γερμανίου και πυριτίου), οι οποίοι έχουν ψυχθεί σε υπερβολικά χαμηλές θερμοκρασίες, πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Το ίδιο εργαστήριο -που ξεκίνησε τις υπόγειες έρευνές του το 2003- είχε αναφέρει δύο πιθανά τέτοια συμβάντα σύγκρουσης σωματιδίων το 2010, όμως αυτά αργότερα διαψεύστηκαν. Αυτή τη φορά, ανιχνεύθηκαν τρία «σήματα» και η πιθανότητα να πρόκειται πάλι για λάθος, είναι μόλις 0,19% (άρα η πιθανότητα ανακάλυψης είναι σχεδόν 98%).

Οι ανιχνευτές κρυστάλλων πυριτίου στο ορυχείο αναζητούν τα σωματίδια της σκοτεινής ύλης.

Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των Αμερικανών φυσικών, αν όντως πρόκειται για συγκρούσεις σωματιδίων της σκοτεινής ύλης με σωματίδια της ορατής ύλης, τότε οι πρώτοι υπολογισμοί δείχνουν ότι το σωματίδιο σκοτεινής ύλης (το WIMP) έχει μικρότερη μάζα από ό,τι εκτιμάτο έως τώρα (περίπου επταπλάσια της μάζας του πρωτονίου), αν και εντός ορισμένων θεωρητικών προβλέψεων. Μόνο η ανίχνευση περισσότερων «σημάτων» από σωματιδιακές συγκρούσεις στο μέλλον θα ρίξει περισσότερο φως στο μυστήριο.