Когда две чёрные дыры сливаются или сталкиваются две нейтронные звёзды, могут возникать гравитационные волны. Они распространяются со скоростью света и вызывают крошечные искажения в пространстве-времени. Альберт Эйнштейн предсказал их существование, а первое прямое экспериментальное наблюдение было сделано в 2015 году.
Профессор Ральф Шютцольд, физик-теоретик из Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR), идёт ещё дальше. Он задумал эксперимент, с помощью которого гравитационные волны можно не только наблюдать, но и управлять ими. Идея опубликована в журнале Physical Review Letters.
«Гравитация влияет на всё, включая свет», — говорит Шютцольд. И это взаимодействие также происходит, когда гравитационные и световые волны встречаются.
Идея Шютцольда заключается в том, чтобы передавать крошечные пакеты энергии от световой волны к гравитационной. При этом энергия световой волны немного уменьшается, а энергия гравитационной волны увеличивается на ту же величину. Эта энергия равна энергии одного или нескольких гравитонов, частиц обмена гравитации, которые были постулированы в теоретических моделях, но ещё не доказаны.
«Это сделало бы гравитационную волну немного более интенсивной», — объясняет физик. Световая волна, с другой стороны, теряет ровно столько же энергии, что приводит к незначительному изменению частоты световой волны.
«Процесс может работать и в обратном направлении», — продолжает Шютцольд. В этом случае гравитационная волна передаёт пакет энергии световой волне. Должно быть возможно измерить оба эффекта, то есть стимулированное излучение и поглощение гравитонов, хотя и с большими экспериментальными усилиями.
Шютцольд рассчитал огромные размеры такого эксперимента: потенциально лазерные импульсы в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне могут отражаться между двумя зеркалами до миллиона раз. В установке длиной около километра это создало бы оптическую длину пути около миллиона километров. Такая величина достаточна для проведения желаемого измерения обмена энергией, вызванного поглощением и излучением гравитонов при встрече света и гравитационной волны.
Однако изменение частоты световой волны, вызванное поглощением или высвобождением энергии одного или нескольких гравитонов при взаимодействии с гравитационной волной, чрезвычайно мало. Тем не менее, используя хитроумно сконструированный интерферометр, можно продемонстрировать эти изменения частоты.
В процессе две световые волны испытывают разные изменения частоты — в зависимости от того, поглощают они или излучают гравитоны. После этого взаимодействия и прохождения по оптическому пути они снова перекрываются и генерируют интерференционную картину. Из этого можно вывести произошедшее изменение частоты и, таким образом, перенос гравитонов.
«От первоначальной идеи до эксперимента может пройти несколько десятилетий», — говорит Шютцольд. Но, возможно, в этом случае это произойдёт раньше, поскольку обсерватория LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), предназначенная для обнаружения гравитационных волн, демонстрирует сильное сходство.
Альтермагнетизм в тонких плёнках RuO₂: новый магнитный материал для эры искусственного интеллекта
Исследовательская группа продемонстрировала, что тонкие плёнки диоксида рутения (RuO₂) проявляют альтермагнетизм — определяющее свойство того, что сейчас признано третьим фундаментальным классом магнитных материалов.
Альтермагниты могут преодолеть ограничения, связанные с текущей магнитной оперативной памятью с использованием обычных ферромагнетиков, и привлекают внимание как перспективные материалы для запоминающих устройств следующего поколения с высокой скоростью и плотностью записи данных.
Помимо идентификации RuO₂ как сильного кандидата для таких применений, исследование также подчёркивает возможность улучшения его функциональности за счёт контроля кристаллографической ориентации.
Результаты исследования опубликованы в Nature Communications. В совместной исследовательской группе участвуют члены NIMS, Токийского университета, Киотского технологического института и Университета Тохоку.
Диоксид рутения (RuO₂) привлекает внимание как перспективный кандидат для проявления альтермагнетизма — предложенного третьего фундаментального класса магнетизма.
Обычные ферромагнитные материалы, используемые в запоминающих устройствах, позволяют легко записывать данные с помощью внешних магнитных полей, но склонны к ошибкам записи, вызванным паразитным магнитным полям, которые ограничивают дальнейшее увеличение плотности данных.
Антиферромагнитные материалы, с другой стороны, устойчивы к таким внешним возмущениям. Однако из-за того, что их атомные спины компенсируют друг друга, считывать информацию с них электрически сложно. Это привело к спросу на магнитные материалы, которые сочетают устойчивость к внешним возмущениям с совместимостью с электрическим считыванием и, в идеале, также позволяют перезаписывать данные.
Однако экспериментальные результаты, касающиеся альтермагнетизма в RuO₂, были противоречивыми во всём мире, что затрудняло чёткое понимание его фундаментальной природы. Кроме того, отсутствие высококачественных тонкоплёночных образцов с однородной кристаллографической ориентацией препятствовало окончательной экспериментальной проверке.
Команда успешно изготовила одноориентационные (одновариантные) тонкие плёнки RuO₂ с выровненными кристаллографическими осями на сапфировых подложках. Они прояснили механизм, с помощью которого кристаллографическая ориентация определяется путём оптимального выбора подложки и точной настройки условий роста.
Используя рентгеновский магнитный линейный дихроизм, команда определила расположение спинов и магнитное упорядочение, при котором чистая намагниченность (полюса N–S) компенсируется. Кроме того, они наблюдали спин-расщеплённое магнитосопротивление — явление, при котором электрическое сопротивление зависит от ориентации спина, тем самым электрически подтвердив спин-расщеплённую электронную структуру.
Результаты рентгеновского магнитного линейного дихроизма согласуются с расчётами из первых принципов по магнитокристаллической анизотропии, демонстрируя, что тонкие плёнки RuO₂ проявляют альтермагнетизм. Этот вывод убедительно подтверждает потенциал тонких плёнок RuO₂ как перспективных материалов для запоминающих устройств следующего поколения с высокой скоростью и плотностью записи данных.
Основываясь на этих результатах, исследовательская группа стремится разработать запоминающие устройства следующего поколения с высокой скоростью и плотностью магнитной памяти, используя тонкие плёнки RuO₂. Ожидается, что такие устройства будут способствовать более энергоэффективной обработке информации за счёт использования присущих альтермагнетизму характеристик высокой скорости и плотности.
Кроме того, метод магнитного анализа на основе синхротрона, разработанный в этом исследовании, может быть применён для изучения других альтермагнитных материалов и разработки спинтронных устройств.