Исследователи из Городского колледжа Нью-Йорка подтвердили то, что звучит как квантово-физический лихорадочный сон: в материалах толщиной всего в несколько атомов свет, электрический заряд и магнетизм перестают вести себя как неловкие незнакомцы на вечеринке и начинают вести себя как близкие друзья. Лаборатория нано- и микрофотоники (LaNMP) физика Винода М. Менона уже давно картографирует эту быстрорастущую область квантовой науки, и они делают это не только ради академического трепета. Они считают, что эти необычные взаимодействия в конечном итоге могут привести к созданию передовых оптоэлектронных устройств и квантовых технологий, которые манипулируют светом, зарядом и спином электрона одновременно — потому что зачем довольствоваться манипуляцией только одной вещью за раз?

В обзоре, опубликованном в Nature Materials под названием «Экситоны в вандерваальсовых магнитных материалах», команда рассматривает недавние достижения, связанные со слоистыми магнитными полупроводниками. Эти материалы позволяют светогенерируемым возбуждениям, называемым экситонами, взаимодействовать с магнитным порядком и магнитными волнами, известными как магноны. Экситон, для тех, кто не владеет квантовым языком, образуется, когда падающий свет возбуждает электрон, заставляя его двигаться и оставляя после себя положительно заряженную «дырку». Электрон и дырка остаются связанными, образуя электрически нейтральную частицу, которая все еще может сильно взаимодействовать со светом. Магноны, с другой стороны, представляют собой коллективные волны, которые распространяются через упорядоченную магнитную структуру материала — думайте о них как об океанских волнах магнитного мира.

Ученые годами пытались объединить оптические свойства богатых экситонами полупроводников с магнетизмом. Более ранние стратегии включали добавление магнитных атомов в полупроводники или наложение атомно-тонких полупроводников поверх магнитных материалов — по сути, попытку заставить дружбу. Вандерваальсовы магнитные полупроводники предлагают более прямой подход: внутри этих кристаллов экситоны и магнитные моменты могут возникать из одних и тех же электронных орбиталей. Это общее происхождение позволяет свету и магнетизму влиять друг на друга внутри самого материала. «В этих материалах свет и магнетизм больше не действуют как отдельные каналы», — сказал Пратап Чандра Адак, постдокторант в группе Менона и ведущий автор обзора. «Экситон — это не просто пассивное световое возбуждение, сидящее поверх магнетизма. Он может чувствовать спиновый порядок и магноны и при правильных условиях даже помогать контролировать само магнитное состояние».

В обзоре рассматриваются несколько важных материальных платформ, включая трийодид хрома, трисульфид фосфора никеля и бромид сульфида хрома. Исследования этих двумерных магнитов выявили несколько способов, которыми экситоны и магнитное поведение могут влиять друг на друга. Экситоны могут значительно усиливать магнитооптические эффекты, позволяя ученым идентифицировать магнитные состояния, наблюдая изменения в поляризации света. Магнитный порядок также может изменять энергию экситонов и влиять на то, где они локализованы внутри материала. Взаимодействия между экситонами и магнонами могут связывать оптические сигналы с магнитной активностью, происходящей на гигагерцовых частотах. Исследователи также обсуждают экситонные поляритоны — гибридные частицы, которые сочетают свойства света и вещества и могут переносить оптическую информацию через материал — потому что природа, видимо, решила, что фотонов и электронов недостаточно.

«За последние несколько лет эта область перешла от обнаружения магнетизма в атомно-тонких кристаллах к активному изучению того, как магнитный порядок может контролировать взаимодействия света и вещества», — сказал Менон, профессор физики и старший автор обзора. «Цель этой статьи — объединить эти разработки в связную структуру и определить, куда область может двигаться дальше». Исследователи определяют несколько потенциальных применений, которые будут зависеть от точного контроля света и магнетизма на чрезвычайно малых масштабах. К ним относятся магнитофотонная память и считывание данных, полностью оптическая логика, регулируемые светоизлучающие устройства, магнитооптические модуляторы и квантовые преобразователи, которые могут преобразовывать информацию между оптическими и спиновыми состояниями.