Een nieuwe studie, uitgevoerd door een multinationaal wetenschappelijk onderzoeksteam, heeft voor het eerst extreem zwakke magnetische signalen in alledaagse metalen vastgelegd, waardoor metalen zoals goud, koper en aluminium, die als ‘magnetisch stil’ worden beschouwd, een ‘tweede kant’ kunnen onthullen die al bijna 150 jaar verborgen is. Relevante resultaten zijn gepubliceerd in "Nature Communications" en worden geacht een nieuw venster te hebben geopend voor de studie van elektronengedrag in metalen.

Het klassieke "Hall-effect" werd aan het einde van de 19e eeuw ontdekt om het fenomeen van stroomafbuiging in een magnetisch veld te verklaren. Dit effect is vrij duidelijk bij ferromagnetische materialen zoals ijzer, maar is uiterst zwak bij niet-magnetische metalen zoals koper en goud. Theoretisch zou het hieruit afgeleide "optische Hall-effect" ook moeten bestaan, maar het signaal ervan in de zichtbare lichtband is zo zwak dat het lange tijd niet direct met experimentele middelen kan worden waargenomen. Het onderzoeksteam zei dat het was alsof je een gefluister probeerde op te vangen in een lawaaierige kamer. "Iedereen gelooft dat het gefluister bestaat, maar mist een 'microfoon' die gevoelig genoeg is."

Het onderzoek werd geleid door promovendi Nadav Am Shalom en professor Amir Capua aan de Hebreeuwse Universiteit, in samenwerking met collega's van het Weizmann Institute of Science, Pennsylvania State University en de Universiteit van Manchester. Hun doel: het meten van deze bijna onzichtbare magnetische reacties in metalen die in het dagelijks leven volledig "niet-magnetisch" lijken te zijn. Capua beschreef dat mensen eraan gewend zijn om koper en goud als magnetisch ‘stille metalen’ te beschouwen; ze blijven niet als ijzer aan de koelkastdeur plakken, maar onder de juiste omstandigheden reageren ze nog steeds op uiterst subtiele manieren op magnetische velden.

Om dit doel te bereiken heeft het team de gevoeligheid van de bestaande MOKE-meetmethode (magneto-optical Kerr effect) aanzienlijk verbeterd. Het principe van MOKE is om een ​​monster met laser te bestralen en indirect de magnetische informatie in het materiaal uit te lezen door de polarisatieverandering van het gereflecteerde licht waar te nemen. De onderzoekers gebruikten een blauwe laser met een golflengte van 440 nanometer en moduleerden het externe magnetische veld sterk om het signaal van de ruisachtergrond te "liften". Dankzij deze reeks verbeteringen kunnen extreem zwakke magnetische signalen in een reeks metalen zoals koper, goud, aluminium, tantaal en platina voor het eerst rechtstreeks worden gedetecteerd in het zichtbare lichtbereik.

Uit het onderzoek bleek dat deze experimentele resultaten tot op zekere hoogte consistent zijn met de klassieke Lorentz-Drude-theorie, die wordt gebruikt om het bewegingsgedrag van elektronen in elektromagnetische velden te beschrijven. De feitelijke gegevens brachten echter ook details aan het licht die niet volledig kunnen worden gedekt door de klassieke theorie, zoals de extra bijdrage van plasmadynamica en interbandovergangen aan het signaal, wat betekent dat de respons van elektronen in metalen complexer is dan die wordt weergegeven door bestaande modellen. Nog verrassender was dat de "ruis" in het experiment niet volledig willekeurig was, maar een duidelijke correlatie vertoonde met de spin-baankoppelingssterkte van het metaal.

De zogenaamde spin-baankoppeling is de koppeling tussen de eigen spin van het elektron en zijn orbitale beweging. Het wordt beschouwd als een sleutelparameter op geavanceerde gebieden zoals spintronica en topologische materialen. De analyse van het team is van mening dat dit soort 'versterkte' ruis met de verbetering van de spin-baankoppeling feitelijk het product is van de interactie tussen licht en elektronenspin, en verband houdt met de verbetering van de Gilbert-demping in het materiaal, dat wil zeggen het proces van dissipatie van magnetische energie in het materiaal. Met andere woorden: achter deze ogenschijnlijk rommelige ‘statische geluiden’ schuilt waardevolle informatie die wordt overgebracht door de vrijheidsgraden van de spin.

De onderzoekers omschrijven deze ontdekking als: "Het is alsof je ontdekt dat het geritsel op de radio geen pure interferentie is, maar dat iemand binnenin fluistert." Via zeer gevoelige optische middelen begonnen ze deze zwakke signalen van elektronenspins te 'begrijpen'. Vergeleken met traditionele elektrische metingen waarvoor bedrading en elektroden nodig zijn, vereist deze puur optische methode geen bedrading op monsters op nanoschaal, waardoor de experimentele complexiteit en verstoring van het monster aanzienlijk wordt verminderd.

Omdat de meting slechts een laserstraal en een gematigd extern magnetisch veld vereist, en niet afhankelijk is van extreem lage temperaturen of ultrasterke magnetische velden, heeft deze methode hoge verwachtingen voor potentiële toepassingen in de techniek en materiaalkunde. Het artikel wijst erop dat deze technologie naar verwachting zal dienen op het gebied van magnetische opslag, spin-elektronica en kwantumcomputers, waardoor onderzoekers de magnetische en elektrische interacties in materialen onder reële werkomstandigheden nauwkeuriger kunnen karakteriseren. Voor de apparaattechniek betekent dit contactloze diagnose van de "magnetische donkere kant" van materialen onder omstandigheden die dichter bij de daadwerkelijke toepassingsomgeving liggen.

Vermeldenswaard is dat dit werk in zekere zin de ‘onvoltooide wens’ van Edwin Hall, de ontdekker van het Hall-effect, vervult. In zijn eerste onderzoek in 1881 probeerde Hall optische methoden te gebruiken om gerelateerde effecten waar te nemen, maar dat mislukte destijds vanwege technische beperkingen. Hij klaagde in het artikel dat als het effect van zilver een tiende van dat van ijzer zou kunnen bereiken, hij optische effecten zou moeten kunnen zien, maar helaas heeft hij geen enkel teken waargenomen. Door het nauwkeurig afstemmen van de frequentie en experimentele omstandigheden kan een nieuwe generatie onderzoekers nu eindelijk licht gebruiken om verschijnselen te ‘zien’ die toen onbereikbaar waren.

Achter deze prestatie schuilt de cumulatieve verbetering in de gevoeligheid van experimentele methoden gedurende meer dan een eeuw. Voor de wetenschappelijke gemeenschap is dat deel van het ‘magnetische gefluister’ in alledaagse metalen niet langer volledig verborgen, maar is het omgezet in experimentele gegevens die kunnen worden vastgelegd en geanalyseerd. Voor toekomstige technologie kunnen deze geheime magnetische aanwijzingen op een gegeven moment een sleutelpuzzel worden om de ontwikkeling van een nieuwe generatie opslag-, computer- en kwantumapparaten te bevorderen.