Pesquisadores da City College of New York confirmaram algo que soa como um sonho febril da física quântica: em materiais com apenas alguns átomos de espessura, luz, carga elétrica e magnetismo param de agir como estranhos constrangedores em uma festa e começam a se comportar como amigos próximos. O Laboratório de Nano e Micro Fotônica (LaNMP) do físico Vinod M. Menon vem mapeando essa área em rápido crescimento da ciência quântica, e eles não estão fazendo isso apenas pela emoção acadêmica. Eles acreditam que essas interações incomuns podem eventualmente alimentar dispositivos optoeletrônicos avançados e tecnologias quânticas que manipulam luz, carga e spin de elétrons juntos — porque por que se contentar em manipular apenas uma coisa de cada vez?

Em uma revisão publicada na Nature Materials, intitulada "Excitons in van der Waals magnetic materials", a equipe examina progressos recentes envolvendo semicondutores magnéticos em camadas. Esses materiais permitem que excitações geradas por luz, chamadas excitons, interajam com a ordem magnética e com ondas magnéticas conhecidas como magnons. Um exciton, para quem não é fluente em quântica, se forma quando a luz incidente energiza um elétron, fazendo-o se mover e deixar para trás uma "lacuna" com carga positiva. O elétron e a lacuna permanecem ligados, formando uma partícula eletricamente neutra que ainda pode interagir fortemente com a luz. Magnons, por outro lado, são ondas coletivas que viajam através da estrutura magnética organizada de um material — pense neles como as ondas do oceano do mundo magnético.

Cientistas passaram anos tentando unir as propriedades ópticas de semicondutores ricos em excitons com o magnetismo. Estratégias anteriores incluíam adicionar átomos magnéticos a semicondutores ou empilhar semicondutores atomicamente finos sobre materiais magnéticos — essencialmente tentando forçar uma amizade. Semicondutores magnéticos de van der Waals fornecem uma abordagem mais direta: dentro desses cristais, excitons e momentos magnéticos podem emergir dos mesmos orbitais eletrônicos. Essa origem compartilhada permite que luz e magnetismo influenciem um ao outro dentro do próprio material. "Nesses materiais, luz e magnetismo não operam mais como canais separados", disse Pratap Chandra Adak, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Menon e autor principal da revisão. "Um exciton não é apenas uma excitação passiva impulsionada pela luz sentada em cima do magnetismo. Ele pode sentir a ordem de spin e os magnons e, sob as condições certas, até ajudar a controlar o próprio estado magnético."

A revisão examina várias plataformas de materiais importantes, incluindo triiodeto de cromo, trissulfeto de fósforo e níquel, e brometo de sulfeto de cromo. A pesquisa sobre esses ímãs bidimensionais revelou várias maneiras pelas quais excitons e comportamento magnético podem se afetar mutuamente. Excitons podem fortalecer significativamente os efeitos magneto-ópticos, permitindo que os cientistas identifiquem estados magnéticos observando mudanças na polarização da luz. A ordem magnética também pode alterar a energia dos excitons e influenciar onde eles são confinados dentro de um material. Interações entre excitons e magnons podem conectar sinais ópticos com atividade magnética ocorrendo em frequências de gigahertz. Os pesquisadores também discutem exciton-polaritons, partículas híbridas que combinam propriedades de luz e matéria e podem transportar informações ópticas através de um material — porque a natureza aparentemente decidiu que fótons e elétrons não eram suficientes.

"Nos últimos anos, este campo passou de detectar magnetismo em cristais atomicamente finos para explorar ativamente como a ordem magnética pode controlar interações luz-matéria", disse Menon, professor de física e autor sênior da revisão. "O objetivo deste artigo é reunir esses desenvolvimentos em um quadro coerente e identificar para onde o campo pode ir a seguir." Os pesquisadores identificam várias aplicações potenciais que dependeriam do controle preciso de luz e magnetismo em escalas extremamente pequenas. Isso inclui memória magneto-fotônica e leitura de dados, lógica totalmente óptica, dispositivos emissores de luz ajustáveis e transdutores quânticos.