Ratsastusta kvanttiaalloilla

Dresdenissä toimiva tutkimusryhmä huippuosaamiskeskuksesta (ctd.qmat) on löytänyt uuden kuljetusilmiön

Tämä kansainvälinen tutkijatiimi havaitsi, että luminoivat kvasihiukkaset eli eksitonit voivat kuljettaa mukanaan magneettisia herätteitä, jotka tunnetaan spin-aaltoina kvanttimateriaaleissa, ja jopa kiihdyttää niitä erittäin suuriin nopeuksiin.

”Se, että optisten hiukkasten liikettä voidaan ohjata magnetismin avulla, on uutta. Tähän asti tiesimme vain, että elektronien kuljetusta voidaan ohjata kvanttimateriaalin magneettisella järjestyksellä. Tämä äskettäin löydetty yhteys optiikan ja magnetismin välillä voisi avata täysin uusia teknologisia mahdollisuuksia”, selittää tutkimusprojektista vastannut Florian Dirnberger.

Antiferromagneettinen kvanttipuolijohde kromisulfidibromidi (CrSBr) muuttuu magneettiseksi −141,15 °C:ssa. Tässä lämpötilassa materiaalin sisällä olevat elektronit alkavat värähdellä ja yrittävät suuntautua rinnakkain. Tutkittava materiaali koostuu kahdesta itsenäisestä, erittäin ohuesta kerroksesta. Magneettisten momenttien – eli spinien – suuntautuminen vaihtelee kerroksesta toiseen.

"Kun viritämme jäähdytettyä materiaalia laserpulssilla, elektronien spinit alkavat värähdellä ja levitä ulospäin aaltoina – kuten väreilyinä, jotka syntyvät, kun kivi heitetään järveen", selittää tohtoritutkija Sophia Terres.

Kun tutkimusryhmä tutki kvanttimateriaalia erittäin herkällä spektroskopialla laboratoriossaan, he tekivät merkittävän löydön. Sen sijaan, että eksitonit olisivat liikkuneet satunnaisesti, kuten yleensä, ne kulkivat spin-aaltojen mukana. "Valomaiset kvasihiukkaset kulkeutuvat tehokkaasti spin-aaltojen mukana kiihdyttäen niitä dramaattisesti. Emme ole koskaan aiemmin havainneet näin nopeaa eksitonien liikettä", Terres sanoo.

Vaikka eksitonien ensimmäiset havainnot antiferromagneettisessa puolijohteessa CrSBr:ssä tehtiin vasta noin viisi vuotta sitten, tämä tutkimus osoittaa uudenlaisen ilmiön: eksitonien kulkeutuminen riippuu materiaalin magneettisesta järjestyksestä. ctd.qmat-tiimi on nyt osoittanut tämän suhteen ensimmäistä kertaa kvanttimateriaalissa.

Tutkimusta vetänyt Alexey Chernikov ja hänen tiiminsä kokeelliset löydökset voisivat tasoittaa tietä magneto-optisille kvanttiteknologioille. Tähän mennessä sähkömagneettiset sovellukset ovat olleet standardi teollisuudessa, elektroniikassa, viestinnässä ja liikkuvuudessa. Jos optisia virityksiä – kuten eksitoneja – voidaan ohjata magneettisesti, se voisi avata uusia mahdollisuuksia hybriditeknologioille.

"Valoon perustuvat piirit ovat nopeampia ja välittävät informaatiota pienemmillä häviöillä kuin nykyiset teknologiat", Dirnberger selittää. "Nyt tiedämme, että optisia komponentteja voitaisiin ohjata myös magneettisesti. Tämä on jännittävä uusi mahdollisuus tulevaisuuden teknologioille ja voisi antaa spintroniikalle merkittävän sysäyksen tulevina vuosina."

Aiheesta aiemmin:

Hybridieksitonit: molempien maailmojen parhaat puolet

Magneettinen kytkentä ja kvantti-informaation kantajat

Eksitonit avaavat tietä tehokkaampaan elektroniikkaan