Quantenphysiker entdecken, dass Licht und Magnetismus in atomdünnen Materialien Zimmergenossen sein können

Forscher am City College of New York haben etwas bestätigt, das sich wie ein Fiebertraum der Quantenphysik anhört: In Materialien, die nur wenige Atome dick sind, hören Licht, elektrische Ladung und Magnetismus auf, sich wie unbeholfene Fremde auf einer Party zu benehmen, und fangen an, sich wie enge Freunde zu verhalten. Physiker Vinod M. Menons Labor für Nano- und Mikrophotonik (LaNMP) kartiert dieses schnell wachsende Gebiet der Quantenwissenschaft, und sie tun das nicht nur aus akademischem Nervenkitzel. Sie glauben, dass diese ungewöhnlichen Wechselwirkungen eines Tages fortschrittliche optoelektronische Geräte und Quantentechnologien antreiben könnten, die Licht, Ladung und Elektronenspin gemeinsam manipulieren – denn warum sich mit der Manipulation nur einer Sache auf einmal zufriedengeben?

In einem Übersichtsartikel, der in Nature Materials mit dem Titel „Exzitonen in magnetischen Van-der-Waals-Materialien“ veröffentlicht wurde, untersucht das Team die jüngsten Fortschritte bei geschichteten magnetischen Halbleitern. Diese Materialien ermöglichen es, dass durch Licht erzeugte Anregungen, sogenannte Exzitonen, mit magnetischer Ordnung und mit magnetischen Wellen, den Magnonen, wechselwirken. Ein Exziton entsteht – für diejenigen, die des Quantenjargons nicht mächtig sind –, wenn einfallendes Licht ein Elektron anregt, sodass es sich bewegt und ein positiv geladenes „Loch“ zurücklässt. Das Elektron und das Loch bleiben verbunden und bilden ein elektrisch neutrales Teilchen, das immer noch stark mit Licht wechselwirken kann. Magnonen hingegen sind kollektive Wellen, die sich durch die geordnete magnetische Struktur eines Materials bewegen – stellen Sie sie sich als die Meereswellen der magnetischen Welt vor.

Wissenschaftler haben jahrelang versucht, die optischen Eigenschaften exzitonenreicher Halbleiter mit Magnetismus zu vereinen. Frühere Strategien umfassten das Hinzufügen magnetischer Atome zu Halbleitern oder das Stapeln atomar dünner Halbleiter auf magnetischen Materialien – im Grunde ein Versuch, eine Freundschaft zu erzwingen. Magnetische Van-der-Waals-Halbleiter bieten einen direkteren Ansatz: In diesen Kristallen können Exzitonen und magnetische Momente aus denselben elektronischen Orbitalen entstehen. Dieser gemeinsame Ursprung ermöglicht es Licht und Magnetismus, sich gegenseitig im Material selbst zu beeinflussen. „In diesen Materialien operieren Licht und Magnetismus nicht mehr als getrennte Kanäle“, sagte Pratap Chandra Adak, Postdoktorand in Menons Gruppe und Hauptautor des Übersichtsartikels. „Ein Exziton ist nicht nur eine passive, lichtgetriebene Anregung, die auf dem Magnetismus sitzt. Es kann die Spinordnung und Magnonen spüren und unter den richtigen Bedingungen sogar helfen, den magnetischen Zustand selbst zu kontrollieren.“

Der Übersichtsartikel untersucht mehrere wichtige Materialplattformen, darunter Chromtriiodid, Nickelphosphortrisulfid und Chromschwefelbromid. Die Forschung an diesen zweidimensionalen Magneten hat mehrere Wege aufgezeigt, wie Exzitonen und magnetisches Verhalten sich gegenseitig beeinflussen können. Exzitonen können magneto-optische Effekte erheblich verstärken, sodass Wissenschaftler magnetische Zustände durch Beobachtung von Änderungen der Lichtpolarisation identifizieren können. Magnetische Ordnung kann auch die Energie von Exzitonen verändern und beeinflussen, wo sie in einem Material eingeschlossen sind. Wechselwirkungen zwischen Exzitonen und Magnonen können optische Signale mit magnetischer Aktivität verbinden, die bei Gigahertz-Frequenzen stattfindet. Die Forscher diskutieren auch Exziton-Polaritonen, hybride Teilchen, die Eigenschaften von Licht und Materie kombinieren und optische Informationen durch ein Material transportieren können – weil die Natur offenbar entschieden hat, dass Photonen und Elektronen nicht genug waren.

„In den letzten Jahren hat sich dieses Feld von der Detektion von Magnetismus in atomar dünnen Kristallen hin zur aktiven Erforschung entwickelt, wie magnetische Ordnung Licht-Materie-Wechselwirkungen kontrollieren kann“, sagte Menon, Professor für Physik und Seniorautor des Übersichtsartikels. „Das Ziel dieses Artikels ist es, diese Entwicklungen in einen kohärenten Rahmen zu bringen und zu identifizieren, wohin sich das Feld als nächstes entwickeln kann.“ Die Forscher identifizieren mehrere potenzielle Anwendungen, die auf präziser Kontrolle von Licht und Magnetismus auf extrem kleinen Skalen beruhen würden. Dazu gehören magneto-photonische Speicher und Datenauslese, volloptische Logik, einstellbare lichtemittierende Geräte, magnetische Sensoren und Quantentransducer, die Quanteninformationen zwischen verschiedenen Systemen umwandeln.