Investigadores del City College de Nueva York han confirmado algo que suena como un sueño febril de la física cuántica: en materiales de solo unos pocos átomos de grosor, la luz, la carga eléctrica y el magnetismo dejan de comportarse como extraños incómodos en una fiesta y empiezan a actuar como amigos íntimos. El físico Vinod M. Menon, del Laboratorio de Nano y Micro Fotónica (LaNMP), ha estado trazando esta área de rápido crecimiento de la ciencia cuántica, y no lo hacen solo por la emoción académica. Creen que estas interacciones inusuales podrían eventualmente alimentar dispositivos optoelectrónicos avanzados y tecnologías cuánticas que manipulan luz, carga y espín electrónico juntos, porque ¿por qué conformarse con manipular solo una cosa a la vez?

En una revisión publicada en Nature Materials, titulada "Excitones en materiales magnéticos de van der Waals", el equipo examina los avances recientes que involucran semiconductores magnéticos en capas. Estos materiales permiten que las excitaciones generadas por luz, llamadas excitones, interactúen con el orden magnético y con ondas magnéticas conocidas como magnones. Un excitón, para aquellos que no dominan lo cuántico, se forma cuando la luz entrante energiza un electrón, haciendo que se mueva y deje atrás un "hueco" con carga positiva. El electrón y el hueco permanecen vinculados, formando una partícula eléctricamente neutra que aún puede interactuar fuertemente con la luz. Los magnones, por otro lado, son ondas colectivas que viajan a través de la estructura magnética organizada de un material; piensa en ellos como las olas del océano del mundo magnético.

Los científicos han pasado años tratando de unir las propiedades ópticas de los semiconductores ricos en excitones con el magnetismo. Estrategias anteriores incluían agregar átomos magnéticos a semiconductores o apilar semiconductores de grosor atómico sobre materiales magnéticos, esencialmente tratando de forzar una amistad. Los semiconductores magnéticos de van der Waals proporcionan un enfoque más directo: dentro de estos cristales, los excitones y los momentos magnéticos pueden surgir de los mismos orbitales electrónicos. Este origen compartido permite que la luz y el magnetismo se influyan mutuamente dentro del propio material. "En estos materiales, la luz y el magnetismo ya no operan como canales separados", dijo Pratap Chandra Adak, investigador postdoctoral en el grupo de Menon y autor principal de la revisión. "Un excitón no es solo una excitación pasiva impulsada por la luz que se asienta sobre el magnetismo. Puede sentir el orden de espín y los magnones, y bajo las condiciones adecuadas, incluso ayudar a controlar el propio estado magnético".

La revisión examina varias plataformas de materiales importantes, incluyendo triyoduro de cromo, trisulfuro de fósforo y níquel, y bromuro de azufre y cromo. La investigación sobre estos imanes bidimensionales ha revelado varias formas en que los excitones y el comportamiento magnético pueden afectarse mutuamente. Los excitones pueden fortalecer significativamente los efectos magneto-ópticos, permitiendo a los científicos identificar estados magnéticos observando cambios en la polarización de la luz. El orden magnético también puede alterar la energía de los excitones e influir en dónde se confinan dentro de un material. Las interacciones entre excitones y magnones pueden conectar señales ópticas con actividad magnética que ocurre a frecuencias de gigahercios. Los investigadores también discuten los polaritones de excitón, partículas híbridas que combinan propiedades de la luz y la materia y pueden transportar información óptica a través de un material, porque la naturaleza aparentemente decidió que los fotones y los electrones no eran suficientes.

"En los últimos años, este campo ha pasado de detectar magnetismo en cristales de grosor atómico a explorar activamente cómo el orden magnético puede controlar las interacciones luz-materia", dijo Menon, profesor de física y autor principal de la revisión. "El objetivo de este artículo es reunir esos desarrollos en un marco coherente e identificar hacia dónde puede ir el campo a continuación". Los investigadores identifican varias aplicaciones potenciales que dependerían del control preciso de la luz y el magnetismo a escalas extremadamente pequeñas. Estas incluyen memoria magneto-fotónica y lectura de datos, lógica totalmente óptica, dispositivos emisores de luz ajustables, y transductores cuánticos.