Cercetătorii de la City College of New York au confirmat ceva ce sună ca un vis febril al fizicii cuantice: în materiale groase de doar câțiva atomi, lumina, sarcina electrică și magnetismul încetează să se comporte ca niște străini stingheri la o petrecere și încep să se poarte ca niște prieteni apropiați. Laboratorul pentru Nano și Micro Fotonica (LaNMP) al fizicianului Vinod M. Menon cartografiază această zonă în plină expansiune a științei cuantice, și nu o face doar pentru fiorul academic. Ei cred că aceste interacțiuni neobișnuite ar putea alimenta în cele din urmă dispozitive optoelectronice avansate și tehnologii cuantice care manipulează lumina, sarcina și spinul electronilor împreună – pentru că de ce să te mulțumești să manipulezi un singur lucru odată?

Într-o recenzie publicată în Nature Materials, intitulată „Excitoni în materiale magnetice van der Waals”, echipa examinează progresele recente care implică semiconductori magnetici stratificați. Aceste materiale permit excitațiilor generate de lumină, numite excitoni, să interacționeze cu ordinea magnetică și cu undele magnetice cunoscute sub numele de magnoni. Un exciton, pentru cei care nu sunt fluenți în cuantică, se formează atunci când lumina incidentă energizează un electron, determinându-l să se miște și lăsând în urmă o „gaură” încărcată pozitiv. Electronul și gaura rămân legate, formând o particulă neutră din punct de vedere electric care poate interacționa în continuare puternic cu lumina. Magnonii, pe de altă parte, sunt unde colective care călătoresc prin structura magnetică organizată a unui material – gândiți-vă la ei ca la valurile oceanului din lumea magnetică.

Oamenii de știință au petrecut ani de zile încercând să unească proprietățile optice ale semiconductorilor bogați în excitoni cu magnetismul. Strategiile anterioare includeau adăugarea de atomi magnetici în semiconductori sau stivuirea de semiconductori subțiri atomic pe materiale magnetice – încercând, practic, să forțeze o prietenie. Semiconductorii magnetici van der Waals oferă o abordare mai directă: în aceste cristale, excitonii și momentele magnetice pot apărea din aceiași orbitali electronici. Această origine comună permite luminii și magnetismului să se influențeze reciproc în interiorul materialului însuși. „În aceste materiale, lumina și magnetismul nu mai operează ca canale separate”, a spus Pratap Chandra Adak, cercetător postdoctoral în grupul lui Menon și autor principal al recenziei. „Un exciton nu este doar o excitație pasivă generată de lumină care stă deasupra magnetismului. Poate simți ordinea spinului și magnonii și, în condiții potrivite, poate chiar ajuta la controlul stării magnetice în sine.”

Recenzia examinează mai multe platforme materiale importante, inclusiv triiodura de crom, trisulfura de fosfor de nichel și bromura de sulf de crom. Cercetările asupra acestor magneți bidimensionali au relevat mai multe moduri în care excitonii și comportamentul magnetic se pot afecta reciproc. Excitonii pot întări semnificativ efectele magneto-optice, permițând oamenilor de știință să identifice stările magnetice observând schimbări în polarizarea luminii. Ordinea magnetică poate, de asemenea, modifica energia excitonilor și poate influența locul unde sunt confinați în interiorul unui material. Interacțiunile dintre excitoni și magnoni pot conecta semnalele optice cu activitatea magnetică care are loc la frecvențe de gigaherți. Cercetătorii discută și despre polaritonii excitonici, particule hibride care combină proprietățile luminii și ale materiei și pot transporta informații optice printr-un material – pentru că natura a decis aparent că fotonii și electronii nu erau de ajuns.

„În ultimii câțiva ani, acest domeniu a trecut de la detectarea magnetismului în cristale subțiri atomic la explorarea activă a modului în care ordinea magnetică poate controla interacțiunile lumină-materie”, a spus Menon, profesor de fizică și autor principal al recenziei. „Scopul acestui articol este de a aduce aceste dezvoltări într-un cadru coerent și de a identifica încotro poate merge domeniul în continuare.” Cercetătorii identifică mai multe aplicații potențiale care ar depinde de controlul precis al luminii și magnetismului la scări extrem de mici. Acestea includ memoria magneto-fotonică și citirea datelor, logica complet optică, dispozitive de emisie a luminii reglabile, magneți cuantici și transductori cuantici care convertesc semnalele magnetice în semnale optice și invers.