Naukowcy z City College of New York potwierdzili coś, co brzmi jak kwantowy sen fizyka: w materiałach grubości zaledwie kilku atomów światło, ładunek elektryczny i magnetyzm przestają zachowywać się jak niezręczni nieznajomi na imprezie i zaczynają zachowywać się jak bliscy przyjaciele. Laboratorium Nano i Mikro Fotoniki (LaNMP) fizyka Vinoda M. Menona mapuje ten szybko rozwijający się obszar nauki kwantowej, i nie robią tego tylko dla akademickiej satysfakcji. Wierzą, że te niezwykłe interakcje mogą ostatecznie zasilać zaawansowane urządzenia optoelektroniczne i technologie kwantowe, które manipulują światłem, ładunkiem i spinem elektronów razem – bo po co zadowalać się manipulowaniem tylko jedną rzeczą na raz?

W recenzji opublikowanej w Nature Materials, zatytułowanej „Ekscytony w magnetycznych materiałach van der Waalsa”, zespół analizuje ostatnie postępy dotyczące warstwowych półprzewodników magnetycznych. Materiały te pozwalają generowanym przez światło wzbudzeniom zwanym ekscytonami oddziaływać z porządkiem magnetycznym i z falami magnetycznymi znanymi jako magnony. Ekscyton, dla tych niebiegłych w kwantach, powstaje, gdy padające światło pobudza elektron, powodując jego ruch i pozostawiając dodatnio naładowaną „dziurę”. Elektron i dziura pozostają połączone, tworząc elektrycznie obojętną cząstkę, która wciąż może silnie oddziaływać ze światłem. Magnony natomiast to fale kolektywne, które przemieszczają się przez uporządkowaną strukturę magnetyczną materiału – pomyśl o nich jak o falach oceanu w świecie magnetyzmu.

Naukowcy spędzili lata próbując połączyć właściwości optyczne półprzewodników bogatych w ekscytony z magnetyzmem. Wcześniejsze strategie obejmowały dodawanie atomów magnetycznych do półprzewodników lub układanie atomowo cienkich półprzewodników na magnetycznych materiałach – zasadniczo próbując wymusić przyjaźń. Magnetyczne półprzewodniki van der Waalsa zapewniają bardziej bezpośrednie podejście: w tych kryształach ekscytony i momenty magnetyczne mogą pochodzić z tych samych orbitali elektronowych. To wspólne pochodzenie pozwala światłu i magnetyzmowi wpływać na siebie nawzajem wewnątrz samego materiału. „W tych materiałach światło i magnetyzm nie działają już jako oddzielne kanały” – powiedział Pratap Chandra Adak, doktorant w grupie Menona i główny autor recenzji. „Ekscyton nie jest tylko pasywnym wzbudzeniem napędzanym światłem, siedzącym na magnetyzmie. Może wyczuwać porządek spinowy i magnony, a w odpowiednich warunkach nawet pomagać kontrolować sam stan magnetyczny”.

Recenzja analizuje kilka ważnych platform materiałowych, w tym jodek chromu, trisiarczek fosforu niklu i bromek siarki chromu. Badania tych dwuwymiarowych magnesów ujawniły kilka sposobów, w jakie ekscytony i zachowanie magnetyczne mogą na siebie wpływać. Ekscytony mogą znacząco wzmacniać efekty magnetooptyczne, pozwalając naukowcom identyfikować stany magnetyczne poprzez obserwację zmian polaryzacji światła. Porządek magnetyczny może również zmieniać energię ekscytonów i wpływać na to, gdzie są one ograniczone w materiale. Interakcje między ekscytonami a magnonami mogą łączyć sygnały optyczne z aktywnością magnetyczną zachodzącą z częstotliwościami gigahercowymi. Naukowcy omawiają również ekscytony polaritonowe, hybrydowe cząstki łączące właściwości światła i materii, które mogą transportować informację optyczną przez materiał – bo najwyraźniej natura uznała, że fotony i elektrony to za mało.

„W ciągu ostatnich kilku lat ta dziedzina przeszła od wykrywania magnetyzmu w atomowo cienkich kryształach do aktywnego badania, jak porządek magnetyczny może kontrolować interakcje światło-materia” – powiedział Menon, profesor fizyki i starszy autor recenzji. „Celem tego artykułu jest zebranie tych osiągnięć w spójne ramy i określenie, dokąd ta dziedzina może zmierzać dalej”. Naukowcy identyfikują kilka potencjalnych zastosowań, które będą zależeć od precyzyjnej kontroli światła i magnetyzmu na niezwykle małych skalach. Obejmują one pamięć magnetofotoniczną i odczyt danych, logikę całkowicie optyczną, regulowane urządzenia emitujące światło, przetworniki kwantowe i inne.