Onderzoekers van het City College van New York hebben iets bevestigd dat klinkt als een koortsdroom uit de quantumfysica: in materialen van slechts enkele atomen dik stoppen licht, elektrische lading en magnetisme met zich te gedragen als ongemakkelijke vreemden op een feestje en worden ze dikke vrienden. Natuurkundige Vinod M. Menons Laboratorium voor Nano- en Microfotonica (LaNMP) brengt dit snelgroeiende gebied van de quantumwetenschap in kaart, en ze doen dat niet alleen voor de academische kick. Ze geloven dat deze ongebruikelijke interacties uiteindelijk geavanceerde opto-elektronische apparaten en quantumtechnologieën kunnen aandrijven die licht, lading en elektronspin tegelijk manipuleren - want waarom zou je je tevreden stellen met het manipuleren van slechts één ding tegelijk?

In een overzichtsartikel gepubliceerd in Nature Materials, getiteld "Excitons in van der Waals magnetic materials," onderzoekt het team de recente vooruitgang met gelaagde magnetische halfgeleiders. Deze materialen laten door licht gegenereerde excitaties, excitonen genaamd, interageren met magnetische ordening en met magnetische golven die bekend staan als magnonen. Een exciton, voor wie niet vloeiend is in quantum, ontstaat wanneer inkomend licht een elektron energie geeft, waardoor het beweegt en een positief geladen "gat" achterlaat. Het elektron en het gat blijven verbonden en vormen een elektrisch neutraal deeltje dat nog steeds sterk met licht kan interageren. Magnonen daarentegen zijn collectieve golven die door de georganiseerde magnetische structuur van een materiaal reizen - beschouw ze als de oceaangolven van de magnetische wereld.

Wetenschappers hebben jaren besteed aan het verenigen van de optische eigenschappen van excitonrijke halfgeleiders met magnetisme. Eerdere strategieën omvatten het toevoegen van magnetische atomen aan halfgeleiders of het stapelen van atoomdunne halfgeleiders op magnetische materialen - in wezen proberen een vriendschap af te dwingen. Van der Waals magnetische halfgeleiders bieden een directere benadering: in deze kristallen kunnen excitonen en magnetische momenten uit dezelfde elektronische orbitalen ontstaan. Deze gedeelde oorsprong stelt licht en magnetisme in staat elkaar binnen het materiaal zelf te beïnvloeden. "In deze materialen opereren licht en magnetisme niet langer als aparte kanalen," zei Pratap Chandra Adak, een postdoctoraal onderzoeker in Menons groep en hoofdauteur van het overzichtsartikel. "Een exciton is niet zomaar een passieve, door licht aangedreven excitatie die bovenop het magnetisme zit. Het kan de spinordening en magnonen waarnemen en, onder de juiste omstandigheden, zelfs helpen de magnetische toestand te controleren."

Het overzichtsartikel onderzoekt verschillende belangrijke materiaalplatforms, waaronder chroomtrijodide, nikkelfosfortrisulfide en chroomzwavelbromide. Onderzoek naar deze tweedimensionale magneten heeft verschillende manieren onthuld waarop excitonen en magnetisch gedrag elkaar kunnen beïnvloeden. Excitonen kunnen magneto-optische effecten aanzienlijk versterken, waardoor wetenschappers magnetische toestanden kunnen identificeren door veranderingen in de polarisatie van licht waar te nemen. Magnetische ordening kan ook de energie van excitonen veranderen en beïnvloeden waar ze in een materiaal worden opgesloten. Interacties tussen excitonen en magnonen kunnen optische signalen verbinden met magnetische activiteit die plaatsvindt bij gigahertzfrequenties. De onderzoekers bespreken ook exciton-polaritonen, hybride deeltjes die eigenschappen van licht en materie combineren en optische informatie door een materiaal kunnen transporteren - omdat de natuur blijkbaar besloot dat fotonen en elektronen niet genoeg waren.

"In de afgelopen jaren is dit veld verschoven van het detecteren van magnetisme in atoomdunne kristallen naar het actief verkennen hoe magnetische ordening licht-materie-interacties kan controleren," zei Menon, hoogleraar natuurkunde en senior auteur van het overzichtsartikel. "Het doel van dit artikel is om die ontwikkelingen in een coherent kader te brengen en te identificeren waar het veld naartoe kan gaan." De onderzoekers identificeren verschillende mogelijke toepassingen die afhankelijk zouden zijn van precieze controle van licht en magnetisme op extreem kleine schaal. Deze omvatten magneto-fotonisch geheugen en data-uitlezing, volledig optische logica, instelbare lichtemitterende apparaten, ma