Forskare vid City College of New York har bekräftat något som låter som en kvantfysikfeberdröm: i material som bara är några atomer tjocka slutar ljus, elektrisk laddning och magnetism att bete sig som besvärade främlingar på en fest och börjar uppträda som nära vänner. Fysikern Vinod M. Menons laboratorium för nano- och mikrofotonik (LaNMP) har kartlagt detta snabbt växande område inom kvantvetenskap, och de gör det inte bara för den akademiska spänningens skull. De tror att dessa ovanliga interaktioner så småningom kan driva avancerade optoelektroniska enheter och kvantteknologier som manipulerar ljus, laddning och elektronspinn tillsammans – för varför nöja sig med att manipulera bara en sak i taget?

I en översiktsartikel publicerad i Nature Materials, med titeln "Excitons in van der Waals magnetic materials," granskar teamet de senaste framstegen med skiktade magnetiska halvledare. Dessa material tillåter ljusgenererade excitationer som kallas excitoner att interagera med magnetisk ordning och med magnetiska vågor som kallas magnoner. En exciton, för den som inte är flytande i kvant, bildas när inkommande ljus exciterar en elektron, vilket får den att röra sig och lämna efter sig ett positivt laddat "hål." Elektronen och hålet förblir sammanlänkade och bildar en elektriskt neutral partikel som fortfarande kan interagera starkt med ljus. Magnoner å andra sidan är kollektiva vågor som färdas genom den organiserade magnetiska strukturen i ett material – tänk på dem som havsvågor i den magnetiska världen.

Forskare har i åratal försökt förena de optiska egenskaperna hos excitonrika halvledare med magnetism. Tidigare strategier inkluderade att tillsätta magnetiska atomer till halvledare eller stapla atomtunna halvledare ovanpå magnetiska material – i princip ett försök att tvinga fram en vänskap. Van der Waals magnetiska halvledare erbjuder ett mer direkt tillvägagångssätt: inom dessa kristaller kan excitoner och magnetiska moment uppstå från samma elektronorbitaler. Detta gemensamma ursprung gör att ljus och magnetism kan påverka varandra inuti själva materialet. "I dessa material fungerar ljus och magnetism inte längre som separata kanaler," sade Pratap Chandra Adak, postdoktor i Menons grupp och huvudförfattare till översiktsartikeln. "En exciton är inte bara en passiv ljusdriven excitation som sitter ovanpå magnetismen. Den kan känna av spinnordningen och magnoner, och under rätt förhållanden till och med hjälpa till att kontrollera det magnetiska tillståndet själv."

Översiktsartikeln undersöker flera viktiga materialplattformar, inklusive kromtrijodid, nickelfosfortrisulfid och kromsvavelbromid. Forskning på dessa tvådimensionella magneter har avslöjat flera sätt på vilka excitoner och magnetiskt beteende kan påverka varandra. Excitoner kan avsevärt förstärka magneto-optiska effekter, vilket gör att forskare kan identifiera magnetiska tillstånd genom att observera förändringar i ljusets polarisation. Magnetisk ordning kan också förändra excitonernas energi och påverka var de är begränsade i ett material. Interaktioner mellan excitoner och magnoner kan koppla optiska signaler med magnetisk aktivitet som sker vid gigahertzfrekvenser. Forskarna diskuterar också excitonpolaritoner, hybridpartiklar som kombinerar egenskaper hos ljus och materia och kan transportera optisk information genom ett material – för naturen ansåg tydligen att fotoner och elektroner inte var nog.

"Under de senaste åren har detta fält gått från att detektera magnetism i atomtunna kristaller till att aktivt utforska hur magnetisk ordning kan kontrollera ljus-materia-interaktioner," sade Menon, professor i fysik och seniorförfattare till översiktsartikeln. "Målet med denna artikel är att sammanföra dessa utvecklingar i en sammanhängande ram och identifiera vart fältet kan gå härnäst." Forskarna identifierar flera potentiella tillämpningar som skulle bero på exakt kontroll av ljus och magnetism på extremt små skalor. Dessa inkluderar magneto-fotoniskt minne och dataavläsning, helt optisk logik, justerbara ljusemitterande enheter, magnetiska sensorer och kvanttransduktorer som kan översätta information mellan optiska och magnetiska system.