Des chercheurs du City College de New York ont confirmé quelque chose qui ressemble à un rêve fiévreux de physique quantique : dans des matériaux d'à peine quelques atomes d'épaisseur, la lumière, la charge électrique et le magnétisme cessent de se comporter comme des étrangers maladroits à une fête et commencent à agir comme des amis proches. Le laboratoire de nanophotonique et microphotonique (LaNMP) du physicien Vinod M. Menon cartographie ce domaine en pleine expansion de la science quantique, et ils ne le font pas seulement pour le frisson académique. Ils pensent que ces interactions inhabituelles pourraient un jour alimenter des dispositifs optoélectroniques avancés et des technologies quantiques qui manipulent ensemble la lumière, la charge et le spin des électrons – car pourquoi se contenter de manipuler une seule chose à la fois ?

Dans une revue publiée dans Nature Materials, intitulée « Excitons in van der Waals magnetic materials », l'équipe examine les progrès récents concernant les semi-conducteurs magnétiques en couches. Ces matériaux permettent aux excitations générées par la lumière, appelées excitons, d'interagir avec l'ordre magnétique et avec des ondes magnétiques connues sous le nom de magnons. Un exciton, pour ceux qui ne sont pas familiers avec le quantique, se forme lorsqu'une lumière incidente énergise un électron, le faisant se déplacer et laissant derrière lui un « trou » chargé positivement. L'électron et le trou restent liés, formant une particule électriquement neutre qui peut encore interagir fortement avec la lumière. Les magnons, quant à eux, sont des ondes collectives qui traversent la structure magnétique organisée d'un matériau – pensez-y comme aux vagues de l'océan du monde magnétique.

Les scientifiques ont passé des années à essayer d'unir les propriétés optiques des semi-conducteurs riches en excitons avec le magnétisme. Les stratégies antérieures incluaient l'ajout d'atomes magnétiques aux semi-conducteurs ou l'empilement de semi-conducteurs atomiquement minces sur des matériaux magnétiques – essentiellement en essayant de forcer une amitié. Les semi-conducteurs magnétiques de van der Waals offrent une approche plus directe : dans ces cristaux, les excitons et les moments magnétiques peuvent émerger des mêmes orbitales électroniques. Cette origine partagée permet à la lumière et au magnétisme de s'influencer mutuellement à l'intérieur même du matériau. « Dans ces matériaux, la lumière et le magnétisme ne fonctionnent plus comme des canaux séparés », a déclaré Pratap Chandra Adak, chercheur postdoctoral dans le groupe de Menon et auteur principal de la revue. « Un exciton n'est pas seulement une excitation passive induite par la lumière reposant sur le magnétisme. Il peut ressentir l'ordre de spin et les magnons, et dans les bonnes conditions, même aider à contrôler l'état magnétique lui-même. »

La revue examine plusieurs plates-formes matérielles importantes, notamment l'iodure de chrome, le trisulfure de phosphore et de nickel, et le bromure de soufre et de chrome. La recherche sur ces aimants bidimensionnels a révélé plusieurs façons dont les excitons et le comportement magnétique peuvent s'affecter mutuellement. Les excitons peuvent renforcer considérablement les effets magnéto-optiques, permettant aux scientifiques d'identifier les états magnétiques en observant les changements dans la polarisation de la lumière. L'ordre magnétique peut également modifier l'énergie des excitons et influencer l'endroit où ils sont confinés dans un matériau. Les interactions entre excitons et magnons peuvent connecter les signaux optiques avec l'activité magnétique se produisant à des fréquences gigahertz. Les chercheurs discutent également des polaritons d'excitons, des particules hybrides qui combinent les propriétés de la lumière et de la matière et peuvent transporter des informations optiques à travers un matériau – car la nature a apparemment décidé que les photons et les électrons ne suffisaient pas.

« Au cours des dernières années, ce domaine est passé de la détection du magnétisme dans des cristaux atomiquement minces à l'exploration active de la façon dont l'ordre magnétique peut contrôler les interactions lumière-matière », a déclaré Menon, professeur de physique et auteur principal de la revue. « L'objectif de cet article est de rassembler ces développements dans un cadre cohérent et d'identifier où le domaine peut aller ensuite. » Les chercheurs identifient plusieurs applications potentielles qui dépendraient d'un contrôle précis de la lumière et du magnétisme à des échelles extrêmement petites. Celles-ci incluent la mémoire magnéto-photonique et la lecture de données, la logique tout-optique, les dispositifs électroluminescents réglables, les transducteurs quantiques.