أكد باحثون في كلية مدينة نيويورك أمرًا يبدو وكأنه حلم محموم لفيزياء الكم: في مواد لا يتجاوز سمكها بضع ذرات، يتوقف الضوء والشحنة الكهربائية والمغناطيسية عن التصرف كغرباء محرجين في حفلة ويبدأون في التصرف كأصدقاء مقربين. مختبر فينود م. مينون للفوتونيات النانوية والميكروية (LaNMP) يرسم خريطة لهذه المنطقة سريعة النمو من علوم الكم، وهم لا يفعلون ذلك فقط من أجل الإثارة الأكاديمية. يعتقدون أن هذه التفاعلات غير العادية يمكن أن تغذي في النهاية أجهزة إلكترونية بصرية متطورة وتقنيات كمومية تتلاعب بالضوء والشحنة ودوران الإلكترون معًا - لأنه لماذا نكتفي بالتلاعب بشيء واحد في كل مرة؟

في مراجعة نُشرت في مجلة Nature Materials بعنوان "Excitons in van der Waals magnetic materials"، يفحص الفريق التقدم الأخير الذي يشمل أشباه الموصلات المغناطيسية ذات الطبقات. تسمح هذه المواد للإثارات المولدة بالضوء والتي تسمى إكسيتونات بالتفاعل مع النظام المغناطيسي ومع الموجات المغناطيسية المعروفة باسم ماغنونات. الإكسيتون، لمن لا يجيدون لغة الكم، يتشكل عندما ينشط الضوء الوارد إلكترونًا، مما يجعله يتحرك ويترك وراءه "ثقبًا" موجب الشحنة. يظل الإلكترون والثقب مرتبطين، مكونين جسيمًا متعادلًا كهربائيًا لا يزال قادرًا على التفاعل بقوة مع الضوء. الماغنونات، من ناحية أخرى، هي موجات جماعية تنتقل عبر البنية المغناطيسية المنظمة للمادة - فكر فيها كأمواج المحيط في العالم المغناطيسي.

أمضى العلماء سنوات في محاولة توحيد الخصائص البصرية لأشباه الموصلات الغنية بالإكسيتونات مع المغناطيسية. تضمنت الاستراتيجيات السابقة إضافة ذرات مغناطيسية إلى أشباه الموصلات أو تكديس أشباه موصلات رقيقة ذريًا فوق مواد مغناطيسية - في الأساس محاولة إجبار الصداقة. توفر أشباه الموصلات المغناطيسية فان دير فالس نهجًا أكثر مباشرة: داخل هذه البلورات، يمكن للإكسيتونات والعزوم المغناطيسية أن تنبثق من نفس المدارات الإلكترونية. هذا الأصل المشترك يسمح للضوء والمغناطيسية بالتأثير على بعضهما البعض داخل المادة نفسها. قال براتاب شاندرا أدك، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة مينون والمؤلف الرئيسي للمراجعة: "في هذه المواد، لم يعد الضوء والمغناطيسية يعملان كقنوات منفصلة. الإكسيتون ليس مجرد إثارة سلبية مدفوعة بالضوء تجلس فوق المغناطيسية. يمكنه استشعار الترتيب المغزلي والماغنونات، وتحت الظروف المناسبة، حتى يساعد في التحكم في الحالة المغناطيسية نفسها."

تفحص المراجعة عدة منصات مواد مهمة، بما في ذلك يوديد الكروم الثلاثي، وفوسفيد الكبريت النيكل الثلاثي، وبروميد الكبريت الكروم. كشف البحث في هذه المغناطيسات ثنائية الأبعاد عن عدة طرق يمكن للإكسيتونات والسلوك المغناطيسي أن يؤثر كل منهما على الآخر. يمكن للإكسيتونات تقوية التأثيرات المغناطيسية البصرية بشكل كبير، مما يسمح للعلماء بتحديد الحالات المغناطيسية من خلال مراقبة التغيرات في استقطاب الضوء. يمكن للنظام المغناطيسي أيضًا تغيير طاقة الإكسيتونات والتأثير على مكان حصرها داخل المادة. يمكن للتفاعلات بين الإكسيتونات والماغنونات ربط الإشارات البصرية بالنشاط المغناطيسي الذي يحدث بترددات غيغاهرتز. يناقش الباحثون أيضًا إكسيتون بولاريتونات، جسيمات هجينة تجمع بين خصائص الضوء والمادة ويمكنها نقل المعلومات البصرية عبر المادة - لأن الطبيعة قررت على ما يبدو أن الفوتونات والإلكترونات لم تكن كافية.

قال مينون، أستاذ الفيزياء والمؤلف الكبير للمراجعة: "على مدى السنوات القليلة الماضية، انتقل هذا المجال من اكتشاف المغناطيسية في بلورات رقيقة ذريًا إلى استكشاف نشط لكيفية تحكم النظام المغناطيسي في تفاعلات الضوء والمادة. الهدف من هذه المقالة هو جمع تلك التطورات في إطار متماسك وتحديد أين يمكن أن يتجه المجال بعد ذلك." يحدد الباحثون عدة تطبيقات محتملة تعتمد على التحكم الدقيق في الضوء والمغناطيسية على مقاييس صغيرة للغاية. تشمل هذه الذاكرة المغناطيسية الضوئية وقراءة البيانات، والمنطق البصري الكامل، والأجهزة الباعثة للضوء القابلة للتعديل، والمحولات الكمومية.