Ερευνητές στο City College της Νέας Υόρκης ορίζουν μια ταχέως αναπτυσσόμενη περιοχή της κβαντικής επιστήμης που εστιάζει στην ύλη με πάχος μόνο μερικών ατόμων. Σε αυτά τα συστήματα, το φως, το ηλεκτρικό φορτίο και ο μαγνητισμός συνδέονται στενά αντί να συμπεριφέρονται ανεξάρτητα.
Η εργασία προήλθε από τον φυσικό Vinod M. From Menon’s Laboratory for Nano and Micro Photonics (LaNMP). Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτές οι ασυνήθιστες αλληλεπιδράσεις θα μπορούσαν τελικά να υποστηρίξουν προηγμένες οπτοηλεκτρονικές συσκευές και κβαντικές τεχνολογίες που χειρίζονται το φως, το φορτίο και το σπιν ηλεκτρονίων ταυτόχρονα.
Όταν το φως και ο μαγνητισμός αλληλεπιδρούν
Σε δημοσιευμένη κριτική Υλικά της φύσηςΜε τίτλο «Εξιτόνια στα μαγνητικά υλικά του van der Waals», οι ερευνητές εξετάζουν τις πρόσφατες εξελίξεις που αφορούν στρωματικούς μαγνητικούς ημιαγωγούς. Αυτά τα υλικά επιτρέπουν στη διέγερση που δημιουργείται από το φως να αλληλεπιδράσει με μαγνητικά σωματίδια που ονομάζονται εξιτόνια και μαγνητικά κύματα που ονομάζονται μάγνον.
Μια διέγερση δημιουργείται όταν το εισερχόμενο φως ενεργοποιεί ένα ηλεκτρόνιο και το αναγκάζει να κινηθεί, αφήνοντας πίσω του μια θετικά φορτισμένη «τρύπα». Τα ηλεκτρόνια και οι τρύπες συνδέονται, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο που μπορεί ακόμα να αλληλεπιδράσει έντονα με το φως. Ο Magnon είναι διαφορετικός. Πρόκειται για συλλογικά κύματα που ταξιδεύουν μέσα από την οργανωμένη μαγνητική δομή ενός υλικού.
Οι επιστήμονες έχουν περάσει χρόνια προσπαθώντας να συνδυάσουν τις οπτικές ιδιότητες των πλούσιων σε εξιτόνια ημιαγωγών με τον μαγνητισμό. Οι προηγούμενες τεχνικές περιελάμβαναν την προσθήκη μαγνητικών ατόμων στον ημιαγωγό ή τη στοίβαξη ατομικά λεπτών ημιαγωγών πάνω από μαγνητικά υλικά.
Οι μαγνητικοί ημιαγωγοί Van der Waals παρέχουν μια πιο άμεση προσέγγιση. Σε αυτούς τους κρυστάλλους, εξιόνια και μαγνητικές ροπές μπορούν να προκύψουν από τα ίδια ηλεκτρονικά τροχιακά. Αυτή η κοινή πηγή επιτρέπει στο φως και στον μαγνητισμό να επηρεάζουν το ένα το άλλο μέσα στο υλικό.
«Σε αυτά τα υλικά, το φως και ο μαγνητισμός δεν λειτουργούν πλέον ως ξεχωριστά κανάλια», είπε ο Pratap Chandra Adak, μεταδιδακτορικός ερευνητής στην ομάδα του Menon και κύριος συγγραφέας της ανασκόπησης. “Ένα εξιτόνιο δεν είναι απλώς μια παθητική διέγερση που καθοδηγείται από το φως που βρίσκεται πάνω από τον μαγνητισμό. Μπορεί να ανιχνεύσει την τάξη σπιν και τα μάγνονα και, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, ακόμη και να βοηθήσει στον έλεγχο της μαγνητικής κατάστασης.”
Ανάγνωση μαγνητικών καταστάσεων με φως
Η ανασκόπηση εξετάζει πολλές σημαντικές πλατφόρμες υλικών, συμπεριλαμβανομένων τριιωδιούχου χρωμίου, τριθειώδους φωσφόρου νικελίου και βρωμιούχου θείου χρωμίου. Η έρευνα σε αυτούς τους δισδιάστατους μαγνήτες έχει αποκαλύψει διάφορους τρόπους με τους οποίους το εξιτονίο και η μαγνητική συμπεριφορά μπορούν να επηρεάσουν το ένα το άλλο.
Τα εξιτόνια μπορούν να ενισχύσουν σημαντικά το μαγνητο-οπτικό φαινόμενο, επιτρέποντας στους επιστήμονες να ανιχνεύουν μαγνητικές καταστάσεις παρατηρώντας αλλαγές στην πόλωση του φωτός. Η μαγνητική τάξη μπορεί επίσης να αλλάξει την ενέργεια των εξιτονίων και να επηρεάσει το σημείο που περιορίζονται σε ένα υλικό.
Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ εξιτονίων και μαγνονίων μπορούν να συνδέσουν οπτικά σήματα με μαγνητική δραστηριότητα που συμβαίνει σε συχνότητες gigahertz. Οι ερευνητές συζητούν επίσης πολαριτόνια εξιτονίων, υβριδικά σωματίδια που συνδυάζουν τις ιδιότητες του φωτός και της ύλης και μπορούν να μεταφέρουν οπτικές πληροφορίες μέσω ενός υλικού.
“Τα τελευταία χρόνια, το πεδίο έχει μετατοπιστεί από την ανίχνευση μαγνητισμού σε ατομικά λεπτούς κρυστάλλους στην ενεργή εξερεύνηση του τρόπου με τον οποίο η μαγνητική τάξη μπορεί να ελέγξει τις αλληλεπιδράσεις φωτός-ύλης”, δήλωσε ο Menon, καθηγητής φυσικής και ανώτερος συγγραφέας της ανασκόπησης. “Ο στόχος αυτού του άρθρου είναι να φέρει αυτές τις εξελίξεις σε ένα συνεκτικό πλαίσιο και να προσδιορίσει πού μπορεί να πάει το πεδίο στη συνέχεια.”
Νέες δυνατότητες για την κβαντική τεχνολογία
Οι ερευνητές εντοπίζουν πολλές πιθανές εφαρμογές που θα βασίζονται στον ακριβή έλεγχο του φωτός και του μαγνητισμού σε εξαιρετικά μικρές κλίμακες. Αυτά περιλαμβάνουν μαγνητο-φωτονική μνήμη και ανάγνωση δεδομένων, πλήρως οπτική λογική, ρυθμιζόμενες συσκευές εκπομπής φωτός, μαγνητο-οπτικά λέιζερ και πολαριτονική τεχνολογία.
Μια άλλη πολλά υποσχόμενη εφαρμογή περιλαμβάνει κβαντικούς μετατροπείς. Αυτές οι συσκευές μετατρέπουν σήματα μεταξύ μικροκυμάτων και οπτικών συχνοτήτων, μια ικανότητα που θα μπορούσε να γίνει σημαντική για τη σύνδεση στοιχείων σε μελλοντικά κβαντικά δίκτυα.
Οι μεγάλες επιστημονικές προκλήσεις παραμένουν
Παρά την ταχεία πρόοδο, μεγάλο μέρος αυτού του πεδίου παραμένει ανεξερεύνητο. Πολλά πιθανά συστατικά πρέπει ακόμη να μελετηθούν λεπτομερώς και οι επιστήμονες χρειάζονται ακόμα καλύτερα θεωρητικά μοντέλα που να μπορούν να προβλέψουν πώς συμπεριφέρονται τα εξιόνια, τα σπιν ηλεκτρονίων, οι δονήσεις του πλέγματος και τα φωτόνια όταν αλληλεπιδρούν ταυτόχρονα.
Μελλοντική έρευνα μπορεί να διερευνήσει τη μετατροπή σήματος μικροκυμάτων σε οπτικό σήμα για μαγνητικά εξιτόνια moiré, οπτικό έλεγχο των υφών περιστροφής, μαγνητοφωτονικές συσκευές, συμπύκνωση πολάριτον μαγνητικού εξιτονίου και κβαντική επικοινωνία.
Άλλοι συν-συγγραφείς περιλαμβάνουν τον Florian Dirnberger του Τεχνικού Πανεπιστημίου του Μονάχου. Swagata Acharya του Εθνικού Εργαστηρίου των Βραχωδών Ορέων. Akashdeep Kamra του Τεχνικού Πανεπιστημίου Ρηνανίας-Παλατινάτου του Kaiserslautern-Landau· και Xiaodong Xu του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον.
Το έργο του CCNY υποστηρίχθηκε από την DARPA και το Ίδρυμα Gordon and Betty Moore.
