Tutkijat määrittelevät uuden rajan kvanttimateriaaleissa

City College of New Yorkin fyysikko Vinod M. Menonin nano- ja mikrofotoniikan laboratorion (LaNMP) tutkijat ovat hahmotelleet kvanttimateriaalien nousevan rajaseudun: atomitasoisesti ohuet järjestelmät, joissa valo, magnetismi ja sähkövaraus ovat vahvasti kietoutuneet toisiinsa.

Tämä nopeasti kehittyvä kenttä voisi mahdollistaa seuraavan sukupolven optoelektroniset ja kvanttiteknologiat, jotka hyödyntävät valon, varauksen ja spinin kytkettyä dynamiikkaa.

Julkaistu katsausartikkeli "Excitons in van der Waals magnetic materials" tarkastelee CCNY-tiimin viimeaikaisia edistysaskeleita kerrostettujen magneettisten puolijohteiden parissa, joissa valon synnyttämät elektroniset viritykset eli eksitonit ovat vuorovaikutuksessa magneettisen järjestyksen ja spin-aaltojen eli magnonien kanssa.

Eksitonit muodostuvat, kun valo virittää elektronin materiaalin sisällä, jättäen jälkeensä positiivisesti varautuneen "aukon". Elektroni ja aukko pysyvät toisiinsa sitoutuneina neutraalina, mutta optisesti aktiivisena hiukkasena.

Magnonit sitä vastoin ovat materiaalin magneettisen järjestyksen kollektiivisia väreilyjä. Tutkijat ovat jo pitkään pyrkineet yhdistämään eksitonipitoista puolijohdeoptiikkaa magnetismiin, esimerkiksi lisäämällä magneettisia atomeja puolijohteisiin tai sijoittamalla atomitasoisesti ohuita puolijohteita magneettisille materiaaleille.

Van der Waalsin magneettiset puolijohteet tarjoavat luonnollisemman reitin: eksitonit ja magneettiset momentit voivat syntyä samoista elektroniorbitaaleista kiteen sisällä, jolloin valo ja magnetismi voivat olla suorassa vuorovaikutuksessa keskenään.

”Näissä materiaaleissa valo ja magnetismi eivät enää toimi erillisinä kanavina”, sanoo postdoc-tutkija Pratap Chandra Adak. ”Eksitoni ei ole vain passiivinen valon ohjaama viritys, joka sijaitsee magnetismin päällä. Se voi aistia spin-järjestyksen ja magnonit, ja oikeissa olosuhteissa jopa auttaa hallitsemaan itse magneettista tilaa.”

Katsauksessa käsitellään edustavia materiaalialustoja, kuten kromitrijodidia, nikkelifosforitrisulfidia ja kromirkkibromidia. Se korostaa useita ilmiöitä, joita on ilmennyt kaksiulotteisten magneettien välillä.

Eksitonit voivat tehostaa vahvasti magneto-optisia vaikutuksia, mikä mahdollistaa magneettisten tilojen lukemisen valon polarisaation muutosten kautta. Magneettinen järjestys voi säätää eksitonien energioita ja spatiaalista rajoittumista, kun taas eksitoni-magnoni-kytkentä voi yhdistää optiset signaalit gigahertsin magneettiseen dynamiikkaan.

Artikkelissa tarkastellaan myös eksitoni-polaritoneja — hybridi-valo-ainehiukkasia, jotka voivat kuljettaa optista informaatiota materiaalin läpi.

Katsaus hahmottelee myös mahdollisia tulevaisuuden suuntia teknologioille, jotka vaativat valon ja magnetismin tarkkaa hallintaa pienessä mittakaavassa, mukaan lukien magnetofotoninen muisti ja luku, täysin optinen logiikka, viritettävät valoa emittoivat piirirakenteet, magneto-optiset laserit, polaritoniset laitteet ja kvanttimuuntimet – laitteet, jotka muuntavat signaaleja mikroaaltojen ja optisten taajuuksien välillä tulevaisuuden kvanttiverkkoja varten.

Aiheesta aiemmin:

Elektronien orbitaalit unelmamuistin perustaksi

Magnetisaation erittäin nopea ravistelu