ニューヨーク市立大学の研究者たちは、量子物理学の熱狂的な夢のように聞こえることを確認した。わずか数原子の厚さの材料では、光、電荷、磁気がパーティーで気まずい他人のように振る舞うのをやめ、親しい友人のように振る舞い始めるのだ。物理学者Vinod M. Menonのナノ・マイクロフォトニクス研究所（LaNMP）は、この急速に成長する量子科学の分野を調査しており、単に学術的なスリルのためにやっているわけではない。彼らは、これらの異常な相互作用が、光、電荷、電子スピンを一緒に操作する高度な光電子デバイスや量子技術に最終的に電力を供給できると信じている。なぜなら、一度に一つのことだけを操作するなんて、つまらないからだ。

Nature Materialsに掲載された「ファン・デル・ワールス磁性材料における励起子」と題されたレビューで、チームは層状磁性半導体に関する最近の進展を調査している。これらの材料は、光生成された励起子と呼ばれる励起が、磁気秩序やマグノンと呼ばれる磁気波と相互作用することを可能にする。量子に堪能でない人のために説明すると、励起子は、入射光が電子を励起し、移動させて正に帯電した「正孔」を残すときに形成される。電子と正孔は結合したままで、光と強く相互作用できる電気的に中性な粒子を形成する。一方、マグノンは、材料の整列した磁気構造を通って伝わる集団波であり、磁気世界の海の波と考えてほしい。

科学者たちは長年、励起子が豊富な半導体の光学特性と磁気を統合しようと努力してきた。初期の戦略には、半導体に磁性原子を追加したり、原子レベルの薄さの半導体を磁性材料の上に積み重ねたりすることが含まれていた。基本的には友情を強制しようとする試みだ。ファン・デル・ワールス磁性半導体は、より直接的なアプローチを提供する。これらの結晶内では、励起子と磁気モーメントが同じ電子軌道から現れることができる。この共通の起源により、光と磁気が材料内部で互いに影響を与え合うことができる。「これらの材料では、光と磁気はもはや別々のチャネルとして動作しません」と、Menonグループの博士研究員でレビューの筆頭著者であるPratap Chandra Adakは述べた。「励起子は、磁気の上に乗った受動的な光駆動励起ではありません。スピン秩序やマグノンを感知でき、適切な条件下では、磁気状態自体を制御するのにも役立ちます。」

レビューでは、三ヨウ化クロム、三硫化ニッケルリン、臭化硫黄クロムなど、いくつかの重要な材料プラットフォームを調査している。これらの二次元磁石に関する研究により、励起子と磁気挙動が互いに影響を与えるいくつかの方法が明らかになった。励起子は磁気光学効果を大幅に強化し、科学者が光の偏光の変化を観察することで磁気状態を識別できるようにする。磁気秩序は励起子のエネルギーを変化させ、材料内で励起子が閉じ込められる場所に影響を与えることもできる。励起子とマグノンの相互作用は、ギガヘルツ周波数で発生する磁気活動と光学信号を結びつけることができる。研究者たちはまた、光と物質の特性を組み合わせたハイブリッド粒子である励起子ポラリトンについても議論している。これは材料を通して光学情報を輸送できる。どうやら自然は、光子と電子だけでは不十分だと判断したようだ。

「過去数年間で、この分野は原子レベルの薄さの結晶で磁気を検出することから、磁気秩序が光と物質の相互作用をどのように制御できるかを積極的に探求することへと移行しました」と、物理学教授でレビューの上級著者であるMenonは述べた。「この記事の目的は、それらの発展を一貫した枠組みにまとめ、この分野が次にどこへ進むことができるかを特定することです。」研究者たちは、極小スケールでの光と磁気の精密な制御に依存するいくつかの潜在的な応用を特定している。これらには、磁気フォトニックメモリとデータ読み出し、全光論理、調整可能な発光デバイス、磁気センシング、および量子トランスデューサーが含まれる。