뉴욕 시립 대학의 연구진이 양자 물리학의 꿈 같은 소리를 현실로 확인했습니다. 단 몇 원자 두께의 재료에서 빛, 전하, 자기가 파티에서 어색한 낯선 사람처럼 행동하지 않고 가까운 친구처럼 행동하기 시작한다는 것입니다. 물리학자 Vinod M. Menon의 나노 및 마이크로 포토닉스 연구실(LaNMP)은 이 빠르게 성장하는 양자 과학 분야를 지도화하고 있으며, 학문적 스릴만을 위해 하는 것이 아닙니다. 그들은 이 특이한 상호작용이 결국 빛, 전하, 전자 스핀을 함께 조작하는 고급 광전자 장치와 양자 기술에 동력을 공급할 수 있다고 믿습니다. 한 번에 하나만 조작하는 것으로 만족할 이유가 없으니까요.

Nature Materials에 게재된 "반데르발스 자성 재료의 엑시톤"이라는 제목의 리뷰에서 팀은 층상 자성 반도체와 관련된 최근 진전을 검토합니다. 이 재료들은 빛으로 생성된 여기인 엑시톤이 자기 질서 및 마그논이라고 알려진 자기 파동과 상호작용할 수 있게 합니다. 엑시톤은 양자에 능숙하지 않은 사람들을 위해 설명하자면, 들어오는 빛이 전자를 활성화시켜 움직이게 하고 양전하를 띤 '구멍'을 남길 때 형성됩니다. 전자와 구멍은 연결된 상태로 남아 전기적으로 중성인 입자를 형성하며, 여전히 빛과 강하게 상호작용할 수 있습니다. 반면 마그논은 재료의 조직화된 자기 구조를 통해 이동하는 집단 파동입니다. 마치 자기 세계의 바다 파도라고 생각하면 됩니다.

과학자들은 수년 동안 엑시톤이 풍부한 반도체의 광학적 특성과 자성을 결합하려고 노력해 왔습니다. 초기 전략에는 반도체에 자성 원자를 추가하거나 원자적으로 얇은 반도체를 자성 재료 위에 쌓는 것이 포함되었습니다. 본질적으로 우정을 강요하려는 시도였죠. 반데르발스 자성 반도체는 더 직접적인 접근 방식을 제공합니다. 이 결정 내에서 엑시톤과 자기 모멘트는 동일한 전자 궤도에서 발생할 수 있습니다. 이 공유된 기원은 빛과 자기가 재료 내부에서 서로 영향을 미칠 수 있게 합니다. "이 재료에서 빛과 자기는 더 이상 별개의 채널로 작동하지 않습니다,"라고 Menon 그룹의 박사후 연구원이자 리뷰의 주 저자인 Pratap Chandra Adak이 말했습니다. "엑시톤은 자성 위에 앉아 있는 수동적인 빛 구동 여기가 아닙니다. 스핀 질서와 마그논을 감지할 수 있으며, 적절한 조건에서는 자기 상태 자체를 제어하는 데 도움을 줄 수도 있습니다."

리뷰는 삼요오드화 크롬, 삼황화 인 니켈, 황화 브롬화 크롬을 포함한 몇 가지 중요한 재료 플랫폼을 검토합니다. 이 2차원 자석에 대한 연구는 엑시톤과 자기 거동이 서로 영향을 미칠 수 있는 여러 방식을 밝혀냈습니다. 엑시톤은 자기-광학 효과를 크게 강화하여 과학자들이 빛의 편광 변화를 관찰하여 자기 상태를 식별할 수 있게 합니다. 자기 질서는 또한 엑시톤의 에너지를 변경하고 재료 내에서 엑시톤이 국한되는 위치에 영향을 줄 수 있습니다. 엑시톤과 마그논 사이의 상호작용은 기가헤르츠 주파수에서 발생하는 자기 활동과 광학 신호를 연결할 수 있습니다. 연구자들은 또한 엑시톤 폴라리톤, 즉 빛과 물질의 특성을 결합한 하이브리드 입자에 대해 논의합니다. 이 입자는 재료를 통해 광학 정보를 전송할 수 있습니다. 자연이 광자와 전자만으로는 충분하지 않다고 결정한 모양입니다.

"지난 몇 년 동안 이 분야는 원자적으로 얇은 결정에서 자성을 감지하는 것에서부터 자기 질서가 빛-물질 상호작용을 어떻게 제어할 수 있는지 적극적으로 탐구하는 방향으로 나아갔습니다,"라고 물리학 교수이자 리뷰의 선임 저자인 Menon이 말했습니다. "이 기사의 목표는 이러한 발전을 일관된 프레임워크로 가져오고 분야가 다음에 어디로 갈 수 있는지 식별하는 것입니다." 연구자들은 극도로 작은 규모에서 빛과 자기의 정밀한 제어에 의존할 몇 가지 잠재적 응용 분야를 식별합니다. 여기에는 자기-광자 메모리 및 데이터 판독, 전광 논리, 조정 가능한 발광 장치, 양자 변환기가 포함됩니다.