Průlom v kvantových materiálech: Světlo a magnetismus se propojují pro revoluční technologie

Vědci z Laboratoře pro nano a mikro fotoniku (LaNMP) na City College of New York definovali novou, slibnou oblast v kvantových materiálech. Jedná se o atomově tenké systémy, ve kterých jsou světlo, magnetismus a elektrický náboj silně propojeny.

Vědci z Laboratoře pro nano a mikro fotoniku (LaNMP) na City College of New York definovali novou, slibnou oblast v kvantových materiálech. Jedná se o atomově tenké systémy, ve kterých jsou světlo, magnetismus a elektrický náboj silně propojeny. Tato rychle se rozvíjející oblast by mohla otevřít cestu k nové generaci optoelektronických a kvantových technologií, které budou využívat spojenou dynamiku světla, náboje a spinu.

Přehledový článek publikovaný v prestižním časopise Nature Materials s názvem „Excitony ve van der Waalsových magnetických materiálech“ shrnuje nedávné pokroky týmu v oblasti vrstvených magnetických polovodičů. Zde dochází k interakci mezi excitony – elektronickými excitacemi generovanými světlem, které zanechávají kladně nabitou „díru“ a zůstávají vázány jako neutrální, ale opticky aktivní částice – a magnetickým řádem, včetně spinových vln známých jako magnony.

Zatímco vědci se dlouho snažili kombinovat optiku polovodičů bohatých na excitony s magnetismem, například přidáváním magnetických atomů do polovodičů, van der Waalsovy magnetické polovodiče nabízejí přirozenější cestu. V těchto materiálech mohou excitony a magnetické momenty vznikat ze stejných elektronických orbitalů v krystalu, což umožňuje přímou interakci světla a magnetismu.

„V těchto materiálech již světlo a magnetismus nefungují jako oddělené kanály,“ uvedl Pratap Chandra Adak, postdoktorand a hlavní autor přehledu. „Exciton není jen pasivní excitace poháněná světlem, která sedí na magnetismu. Dokáže vnímat spinový řád a magnony a za správných podmínek dokonce pomáhat řídit samotný magnetický stav.“

Článek se zabývá reprezentativními materiálovými platformami, jako jsou jodid chromitý, sulfid niklu a fosforu a bromid chromitý. Zdůrazňuje několik jevů, které se objevily u dvourozměrných magnetů. Excitony mohou výrazně zesílit magnetooptické efekty, což umožňuje čtení magnetických stavů prostřednictvím změn polarizace světla. Magnetický řád může ladit energie excitonů a prostorové omezení, zatímco vazba exciton-magnon může propojit optické signály s gigahertzovou magnetickou dynamikou. Článek také zkoumá exciton-polaritony – hybridní částice světla a hmoty, které mohou přenášet optické informace materiálem.

„Během posledních několika let se tato oblast posunula od detekce magnetismu v atomově tenkých krystalech k aktivnímu zkoumání toho, jak magnetický řád může řídit interakce světla a hmoty,“ řekl Vinod M. Menon, profesor fyziky a senior autor přehledu. „Cílem tohoto článku je spojit tyto poznatky do uceleného rámce a identifikovat, kam se může tato oblast dále ubírat.“ Tento výzkum otevírá dveře k vývoji pokročilých technologií, které by mohly zásadně změnit způsob, jakým využíváme světlo a magnetismus v elektronice a kvantových systémech.