Ricercatori del City College di New York hanno confermato qualcosa che sembra un sogno febbrile della fisica quantistica: in materiali spessi solo pochi atomi, luce, carica elettrica e magnetismo smettono di comportarsi come sconosciuti imbarazzati a una festa e iniziano a fare amicizia. Il fisico Vinod M. Menon del Laboratory for Nano and Micro Photonics (LaNMP) ha mappato questo campo in rapida crescita della scienza quantistica, e non lo fa solo per il brivido accademico. Credono che queste interazioni insolite potrebbero un giorno alimentare dispositivi optoelettronici avanzati e tecnologie quantistiche che manipolano insieme luce, carica e spin elettronico — perché accontentarsi di manipolare una cosa alla volta?

In una recensione pubblicata su Nature Materials, intitolata "Excitons in van der Waals magnetic materials", il team esamina i recenti progressi che coinvolgono semiconduttori magnetici stratificati. Questi materiali permettono a eccitazioni generate dalla luce chiamate eccitoni di interagire con l'ordine magnetico e con onde magnetiche note come magnoni. Un eccitone, per chi non parla correntemente il quantistico, si forma quando la luce in arrivo energizza un elettrone, facendolo muovere e lasciando dietro un "buco" carico positivamente. L'elettrone e il buco rimangono legati, formando una particella elettricamente neutra che può ancora interagire fortemente con la luce. I magnoni, d'altra parte, sono onde collettive che viaggiano attraverso la struttura magnetica organizzata di un materiale — pensateli come le onde dell'oceano del mondo magnetico.

Gli scienziati hanno passato anni cercando di unire le proprietà ottiche dei semiconduttori ricchi di eccitoni con il magnetismo. Le strategie precedenti includevano l'aggiunta di atomi magnetici ai semiconduttori o l'impilamento di semiconduttori spessi quanto un atomo sopra materiali magnetici — essenzialmente cercando di forzare un'amicizia. I semiconduttori magnetici di van der Waals forniscono un approccio più diretto: all'interno di questi cristalli, eccitoni e momenti magnetici possono emergere dagli stessi orbitali elettronici. Questa origine condivisa permette a luce e magnetismo di influenzarsi a vicenda all'interno del materiale stesso. "In questi materiali, luce e magnetismo non operano più come canali separati", ha detto Pratap Chandra Adak, ricercatore post-dottorato nel gruppo di Menon e autore principale della recensione. "Un eccitone non è solo un'eccitazione passiva guidata dalla luce che siede sopra il magnetismo. Può percepire l'ordine di spin e i magnoni, e nelle giuste condizioni, persino aiutare a controllare lo stato magnetico stesso."

La recensione esamina diverse importanti piattaforme di materiali, tra cui triioduro di cromo, trisolfuro di nichel fosforo e bromuro di zolfo di cromo. La ricerca su questi magneti bidimensionali ha rivelato diversi modi in cui eccitoni e comportamento magnetico possono influenzarsi a vicenda. Gli eccitoni possono rafforzare significativamente gli effetti magneto-ottici, permettendo agli scienziati di identificare stati magnetici osservando cambiamenti nella polarizzazione della luce. L'ordine magnetico può anche alterare l'energia degli eccitoni e influenzare dove sono confinati all'interno di un materiale. Le interazioni tra eccitoni e magnoni possono collegare segnali ottici con attività magnetica che avviene a frequenze gigahertz. I ricercatori discutono anche dei polaritoni di eccitone, particelle ibride che combinano proprietà della luce e della materia e possono trasportare informazioni ottiche attraverso un materiale — perché la natura ha apparentemente deciso che fotoni ed elettroni non bastassero.

"Negli ultimi anni, questo campo è passato dal rilevare il magnetismo in cristalli spessi quanto un atomo all'esplorare attivamente come l'ordine magnetico possa controllare le interazioni luce-materia", ha detto Menon, professore di fisica e autore senior della recensione. "L'obiettivo di questo articolo è portare questi sviluppi in un quadro coerente e identificare dove il campo può andare dopo." I ricercatori identificano diverse potenziali applicazioni che dipenderebbero dal controllo preciso di luce e magnetismo a scale estremamente piccole. Queste includono memoria magneto-fotonica e lettura dei dati, logica completamente ottica, dispositivi a emissione di luce regolabili e trasduttori quantistici.