Магнитное поле силой около 1,27 Тл можно получить на участке размером в сотни нанометров без постоянного магнита и даже без магнитного материала. Физики из Корнелльского университета предложили способ поймать инфракрасный свет внутри специально устроенной поверхности, а затем превратить часть энергии световой волны в циркулирующий электрический ток. Ток поддерживает локальное магнитное поле уже после ухода световой волны.
Работа пока представляет теоретический результат, а не готовую экспериментальную установку. Авторы использовали аналитические расчёты и электромагнитное моделирование, а схему будущей экспериментальной проверки описали отдельно. Расчёты показывают возможность получить пиковое квазистатическое поле около 1,272 Тл при эффективности преобразования магнитной составляющей световой волны примерно 53%.
В основе метода лежит диэлектрическая метаповерхность, двумерный массив прямоугольных наноструктур из германия на прозрачной подложке из фторида кальция. Внутри каждого элемента исследователи выделили «горячую точку» радиусом 210 нм, где электромагнитное поле особенно сильно.
Сначала метаповерхность удерживает волну среднего инфракрасного диапазона с центральной длиной волны около 4,27 мкм. Затем в «горячую точку» попадает импульс ближнего инфракрасного света длительностью восемь фемтосекунд и с длиной волны 1580 нм. Короткий импульс высвобождает в германии большое количество носителей заряда и за несколько фемтосекунд резко меняет оптические свойства материала.
Резкое изменение создаёт так называемый временной интерфейс. На обычной границе двух сред часть световой волны отражается, а часть продолжает движение. При временном интерфейсе меняется не пространство вокруг волны, а свойства среды во времени. Быстрый скачок показателя преломления перераспределяет энергию захваченного света, а часть быстро меняющегося магнитного поля переходит в режим с нулевой частотой. Направление магнитного поля после преобразования больше не меняется в такт световой волне.
Свободные электроны в «горячей точке» получают скорость под действием инфракрасной волны и начинают двигаться по замкнутым траекториям. После переключения оптических свойств реальные электрические токи заменяют прежние токи смещения и поддерживают локальное магнитное поле. Часть исходной энергии одновременно уходит в новую инфракрасную волну с меньшей частотой. Закон сохранения энергии в расчётах не нарушается: энергия исходной волны перераспределяется между излучением, движением носителей заряда и магнитным полем.
Слово «статическое» в данном случае не означает постоянное поле на человеческих масштабах времени. Поле не колеблется с оптической частотой, поэтому физики называют режим квазистатическим. При комнатной температуре расчётное время затухания составило около 302 фс, примерно 20 циклов исходной инфракрасной волны. Основным ограничением служит рассеяние электронов. При охлаждении германия до 77 К модель увеличивает время жизни магнитного поля примерно до трёх пикосекунд или больше.
Идея превращать переменное магнитное поле световой волны в локальное постоянное поле появилась раньше. В 2024 году физики предложили метаматериальный способ выпрямления магнитной составляющей света. Новая работа использует другой механизм: временной интерфейс, резонансное усиление света и локальное рождение свободных носителей внутри полностью диэлектрической метаповерхности. Авторы считают сочетание трёх механизмов новым способом получать сильную намагниченность на глубоко субволновом масштабе.
Главное преимущество подхода связано с локальностью и скоростью управления. Обычный магнит создаёт поле сразу в сравнительно большой области, а световой импульс потенциально позволяет включать магнитные участки размером в сотни нанометров в нужном месте и в нужный момент. Подобное управление может пригодиться в спинтронике, магнитной записи, квантовых устройствах и фотонных вычислениях , где разработчики стремятся управлять информацией на микроскопических масштабах с минимальными задержками.
До практического применения физикам предстоит подтвердить рассчитанное поле экспериментально. В качестве метода проверки авторы предлагают полностью перевести выбранные участки метаповерхности в проводящее состояние коротким лазерным импульсом, а затем измерить вызванный магнитным полем поворот поляризации второго пробного импульса. Успешная проверка позволит оценить реальную силу, длительность и воспроизводимость эффекта, а также пределы работы при нагреве и оптических потерях.