Magnetismin rajoittamat eksitonit

Kvanttiteknologiassa on ongelmana, että subatomisessa mittakaavassa esiintyvät erityisominaisuudet katoavat yleensä makroskooppisessa mittakaavassa.

Nyt Penn Staten ja Columbia Universityn fyysikkojen johtama kansainvälinen ryhmä on kuitenkin kehittänyt uudenlaisen lähestymistavan tiettyjen kvanttiominaisuuksien ylläpitämiseen jopa kolmiulotteisissa (3D) materiaaleissa.

"Vaikka kaksiulotteisten (2D) materiaalien toiminnallisuudet ovat valtavia ja niiden potentiaali on vallankumouksellinen, niiden ylivertaisten ominaisuuksien säilyttäminen 2D-rajan ulkopuolella on edelleen valtava haaste", sanoi, Penn Staten fysiikan apulaisprofessori Yinming Shao

"Nanomittakaavan rajoituksen toteuttaminen, ymmärtäminen ja hallinta ovat siis ratkaisevan tärkeitä sekä kvanttifysiikan että tulevaisuuden kvanttiteknologioiden tutkimisessa."

Ryhmä tutki puolijohdemateriaalissa eksitoneina tunnettuja kvasihiukkasia, joilla on ainutlaatuiset optiset ominaisuudet ja jotka voivat kuljettaa energiaa ilman sähkövarausta.

Puolijohteet johtavat sähköä tietyissä olosuhteissa ja estävät sitä toisissa. Virittyneen elektronin ja sen jättämää aukkoa kutsutaan yhdessä eksitoniksi. Eksitonit esiintyvät homogeenisesti tyypillisten 3D-puolijohteiden, kuten piin, yli.

"Mutta irtomateriaalien, kuten piin, eksitonien sitoutumisenergia on yleensä pieni, mikä tarkoittaa, että se ei ole kovin vakaa ja sitä ei ole helppo havaita", Shao sanoi ja selitti, että eksitonit ovat stabiileimpia ja niillä on ylivoimaiset ominaisuudet vain 2D-yksikerroksissa.

Tässä ohuessa 2D-tilassa eksitonit voivat kuljettaa energiaa ilman varausta ja emittoida valoa, kun sen elektroni ja aukko yhdistyvät, mikä Shaon mukaan on hyödyllistä edistyneissä optisissa sovelluksissa. Säilyttääkseen nämä ominaisuudet materiaaleissa, jotka ovat riittävän suuria tällaisiin sovelluksiin, tutkijoiden olisi kuitenkin tuotettava valtava määrä kerroksia.

Tehdäkseen tämän kuorimatta ja pinoamatta jokaista kerrosta käsin, tutkijat kääntyivät fysiikan toiseen osa-alueeseen: magnetismiin. Erityisesti he keskittyivät kromisulfidibromidiin (CrSBr), kerroksiseen magneettiseen puolijohteeseen.

Huoneenlämmössä CrSBr toimii normaalina puolijohteena kuten pii. CrSBr:n jäähdyttäminen noin -223 Fahrenheit-asteeseen tuo sen perustilaan tai alhaisimman energian tilaan. Tämä muuntaa sen antiferromagneettiseksi järjestelmäksi, jossa järjestelmän hiukkasten magneettiset momentit - joita yleensä kutsutaan "spineiksi" - asettuvat säännölliseen, toistuvaan kuvioon.

Erityisesti CrSBr:lle tämä antiferromagneettinen järjestys varmistaa, että jokainen kerros vaihtaa magneettista kohdistusta, kumoaa tehokkaasti magneettisen momentin ja tekee materiaalista herkän ulkoisille magneettisille voimille. Tämän seurauksena eksitonit pyrkivät pysymään kerroksessa samalla spinillä sen sijaan, että olisivat vierekkäisissä kerroksissa vastakkaisilla spineillä.

"Tämä on tehokas tapa luoda yksi kerros atomimateriaalia kuorimatta sitä, samalla kun säilytetään terävä rajapinta", Shao sanoi. "Tämä tarkoittaa, että voimme saavuttaa saman käyttäytymisen kuin suljetut eksitonit, joita on osoitettu 2D-bulkkimateriaalissa."

Aikaansaatu tulos tuli Shaon mukaan magnetismin, Van der Waalsin vuorovaikutusten ja eksitonien käyttäytymisen hyödyntämisestä kvanttirajoituksen saavuttamiseksi mahdollisilla sovelluksilla optisten järjestelmien ja kvanttiteknologioiden kehittämiseen.

Aiheesta aiemmin:

Uusi ihme- ja kvanttimateriaali