Vědci objevili, jak světlem ovládat magnety: Excitony otevírají cestu k revoluci v elektronice

Vědci z Cornellovy univerzity učinili průlomový objev v oblasti kvantových materiálů, když ukázali, že excitony – páry záporně nabitých elektronů a kladně nabitých „děr“, které po sobě zanechávají – mohou aktivně ovládat magnetismus.

Vědci z Cornellovy univerzity učinili průlomový objev v oblasti kvantových materiálů, když ukázali, že excitony – páry záporně nabitých elektronů a kladně nabitých „děr“, které po sobě zanechávají – mohou aktivně ovládat magnetismus. Dosud byly excitony v magnetických materiálech využívány především jako „pozorovatelé“, kteří odhalovali uspořádání spinů nebo pohyb magnetických vln. Nový výzkum však dokazuje, že excitony mohou magnetický pohyb přímo řídit.

Tento objev, publikovaný v časopise Nature Materials, představuje excitony jako zcela nový způsob, jak ovládat magnetický pohyb pomocí světla. Práce posouvá kupředu klíčový cíl spintroniky, oboru, který se snaží využívat spin elektronů namísto jejich elektrického náboje k ukládání a zpracování informací. Spintronická zařízení by mohla fungovat s menším množstvím odpadního tepla než konvenční elektronika, a proto vědci hledají nové metody, jak rychle, přesně a efektivně ovládat spiny.

Výsledek byl překvapivý, protože excitony nebyly považovány za vhodné kandidáty pro ovlivňování spinů. Exciton je elektricky neutrální a opticky jasné excitony se často považují za entity s malým nebo žádným čistým úhlovým momentem. Vědci zjistili, že v dvourozměrném magnetickém polovodiči sulfidbromidu chromu (CrSBr) exciton nepůsobí jen jako mechanický impuls, ale mění způsob, jakým spinový systém získává a ztrácí energii během pohybu. V závislosti na orientaci spinů může exciton pohyb tlumit nebo mu dodávat energii.

Tento excitonem generovaný moment je nelineární a mění se v závislosti na směru spinu. Při nízké excitaci se magnetický pohyb choval jako pravidelná oscilace, zatímco při vyšší excitaci se stal výrazně asymetrickým, s pilovitým průběhem. Tým tento neobvyklý jev vysledoval k excitonickému spinovému momentu, kdy světlem vytvořený rezervoár excitonů opakovaně vyměňoval energii se spinovým systémem. Laserový puls vytvářející excitony je extrémně krátký, ale rezervoár excitonů může ovlivňovat spiny i po odeznění počátečního pulsu, což umožňuje udržet magnetický systém daleko od rovnováhy.

CrSBr je pro tento typ výzkumu slibnou platformou, protože je stabilní na vzduchu, lze jej exfoliovat na atomárně tenké vrstvy a hostí jak magnetický řád, tak silně vázané excitony. Tyto vlastnosti z něj činí užitečný materiál pro zkoumání interakce světla, náboje a spinu v dvourozměrných systémech. V budoucnu by excitonický spinový moment mohl otevřít nové směry v optospintronických zařízeních (využívajících světlo i spin), spintronických pamětech a kvantové transdukci (převodu kvantové informace z jedné formy do druhé). Koncept se také uplatňuje v neuromorfním počítání, což je forma zpracování informací inspirovaná mozkem, kde existuje analogie mezi neurony v mozku a spiny v mřížce.