På nanonivå kopplar de ljus till magnetism

Att kunna styra ljus med magnetism, och tvärtom, vore en revolution för optik, elektronik och datalagring. Men hittills har det varit omöjligt. Magnetfält och ljus växelverkar normalt inte med varandra. Nu kan svenska forskare ha kommit på ett sätt att ändra på det.

Projektanslag 2015

Harnessing light and spins through plasmons at the nanoscale

Huvudsökande:
Professor Alexander Dmitriev, Göteborgs universitet (tidigare Chalmers)

Medsökande:
Dag Hanstorp
Johan Åkerman
Uppsala universitet
Björgvin Hjörvarsson
Peter Oppeneer
Vassilios Kapaklis

Lärosäte:
Göteborgs universitet

Beviljat anslag:
38 miljoner kronor under fem år

Om man riktar en magnet mot ett metallföremål kan föremålet, eller magneten, flyttas. En magnet kan också ändra riktningen på en elektrisk ström, ett flöde av elektroner. Men riktar man en magnet mot ljus händer ingenting alls. Ljus och magnetism växelverkar inte.

De borde kunna växelverka, för ljus är elektromagnetisk strålning, och all sådan strålning består av svängande magnetfält. Skälet till att ljus och magnetism ändå inte känner av varandra är att ljuset har så mycket högre frekvens – det svänger 10 000 gånger snabbare än de snabbaste magnetfälten.

– Fotoner, alltså ljuspartiklar, kan absorberas. Och när de går genom ett transparent material kan de ändra riktning, men bara på ett enda vis som är specifikt för materialet. Att verkligen styra ljuset är en helt annan sak, säger Alexander Dmitriev.

Han arbetar vid Göteborgs universitets institution för fysik och leder ett projekt med anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse som samlar forskare från Göteborg och Uppsala. De verkar ha hittat ett sätt att koppla samman ljus med magnetism.

Plasmoner kopplar ljuset till magnetfält

Forskarna tillverkar pyttesmå ”antenner”, små stavar, skivor och bollar i nanodimensioner – miljarddelar av en meter breda. Antennerna fästs på en genomskinlig yta, till exempel glas. När ljus träffar antennerna får det elektronerna i dem att svänga. Och till skillnad från magnetfält så kan faktiskt elektroner svänga nästan lika snabbt som ljuset. När de gör det, uppstår nanoplasmoner, som kan beskrivas som en korsning av elektron och foton. De producerar ett koncentrerat, förstärkt och snabbsvängande elektromagnetiskt fält på nanonivå. Det är det som utgör länken mellan ljus och magnetism. Plasmonen kan påverkas med magneter, så att fotonen kommer ut i förändrad form. Ljuset kan till exempel få en annan riktning eller polarisation.

– Vi modifierar alltså plasmonen, snarare än fotonen. Sedan transformeras plasmonen till en foton igen, och däri ligger själva magin. En del energi går förlorad, men ju bättre vi gör vårt jobb när vi konstruerar nanoantennerna, desto fler fotoner överlever, säger Alexander Dmitriev.

Antennerna tillverkas i exempelvis guld, silver, koppar och aluminium. Genom materialval, antennernas form och placering, kan forskarna styra vad som händer med nanoplasmonerna.

Styrbara linser och blixtsnabb datalagring

Om metoden fungerar som de tänkt öppnar sig fantastiska möjligheter. Exempelvis behöver en kamera i dag flera olika linser för att göra det som vårt öga klarar på egen hand. Ögat behöver bara en lins, eftersom den kan ändra form när den behöver bryta ljuset annorlunda. Samma brytningsförändring skulle den nya tekniken kunna åstadkomma i en konstgjord lins.

– Vi tror alltså att det kan bli möjligt att tillverka optik som går att justera i realtid, säger Alexander Dmitriev.

Då skulle en kamera kunna bli helt platt, istället för att ha ett långt, tungt objektiv som rymmer flera linser. Man skulle också kunna göra rörliga hologram, och betydligt bättre augmented reality-glasögon och transparenta datorskärmar. Att skapa de små magnetfält som behövs är inte särskilt svårt, det är fullt möjligt även i något så litet som en vanlig mobiltelefon.

Men forskarna vill dessutom utforska hur det fungerar i motsatt riktning, alltså om magnetfält kan styras med ljus. Det är nämligen genom magnetism som information lagras på hårddiskar, något som i dag styrs elektriskt. Om magnetfälten kunde styras med ljus skulle det gå mycket fortare, och öka lagringshastigheten i datorers hårddiskar flera tusen gånger.

– Om det fungerar, skulle vi kunna få en helt ny teknik för hur vi lagrar information, säger Alexander Dmitriev.

Kräver gränslöst samarbete

Nanoplasmoner ser ut att vara en praktisk lösning på en mängd problem. Ändå är det mycket få forskare i världen som studerar nanoplasmoners koppling till magnetism. Alexander Dmitriev tror att det beror på att det är så tvärvetenskapligt.

– Sanningen är att olika forskningsfält har rätt lite kontakt med varandra. Forskare som är experter på magnetism är inte särskilt intresserade av plasmonik eller nanooptik. Den som kan nanooptik vet inte mycket om magnetism. I det här fallet råkade jag ha lite insikt i flera fält, och projektet har samlat medlemmar som normalt inte skulle arbeta med varandra.

Inte minst viktigt är det att experimentalister och teoretiker samarbetar. Redan för 20 år sedan visade forskare att korta, intensiva ljuspulser kunde påverka fältet i en magnetisk film. Men fortfarande kan ingen helt förklara hur det går till. Det duger inte, konstaterar Alexander Dmitriev.

– Vi kommer inte bara att tillverka saker och vara glada om de funkar. Vi vill förstå processen på djupet. Det här är ju grundforskning – även om det inte är svårt att se de praktiska möjligheterna längre fram.

Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström