New York Şehir Koleji'ndeki araştırmacılar, kuantum fiziği ateşli rüyası gibi gelen bir şeyi doğruladı: sadece birkaç atom kalınlığındaki malzemelerde ışık, elektrik yükü ve manyetizma bir partideki garip yabancılar gibi davranmayı bırakıp yakın arkadaşlar gibi davranmaya başlıyor. Fizikçi Vinod M. Menon'un Nano ve Mikro Fotonik Laboratuvarı (LaNMP), kuantum biliminin bu hızla büyüyen alanını haritalandırıyor ve bunu sadece akademik heyecan için yapmıyorlar. Bu sıra dışı etkileşimlerin, ışık, yük ve elektron dönüşünü birlikte manipüle eden gelişmiş optoelektronik cihazlara ve kuantum teknolojilerine güç sağlayabileceğine inanıyorlar - çünkü neden sadece bir seferde bir şeyi manipüle etmekle yetinesiniz?

Nature Materials'da yayınlanan "Van der Waals Manyetik Malzemelerinde Eksitonlar" başlıklı bir incelemede ekip, katmanlı manyetik yarıiletkenleri içeren son gelişmeleri inceliyor. Bu malzemeler, ışıkla üretilen eksiton adı verilen uyarımların manyetik düzenle ve magnon adı verilen manyetik dalgalarla etkileşime girmesine izin veriyor. Kuantum dilini bilmeyenler için eksiton, gelen ışığın bir elektronu enerjilendirmesiyle oluşur, elektron hareket eder ve arkasında pozitif yüklü bir "boşluk" bırakır. Elektron ve boşluk bağlı kalır, elektriksel olarak nötr bir parçacık oluşturur ve bu parçacık hala ışıkla güçlü bir şekilde etkileşime girebilir. Magnonlar ise bir malzemenin düzenli manyetik yapısı boyunca ilerleyen kolektif dalgalardır - onları manyetik dünyanın okyanus dalgaları olarak düşünün.

Bilim insanları yıllardır eksiton bakımından zengin yarıiletkenlerin optik özelliklerini manyetizma ile birleştirmeye çalıştı. Önceki stratejiler, yarıiletkenlere manyetik atomlar eklemeyi veya atomik incelikteki yarıiletkenleri manyetik malzemelerin üzerine istiflemeyi içeriyordu - esasen bir arkadaşlık kurmaya zorlamak gibi. Van der Waals manyetik yarıiletkenleri daha doğrudan bir yaklaşım sunar: bu kristallerde eksitonlar ve manyetik momentler aynı elektronik orbitallerden ortaya çıkabilir. Bu ortak köken, ışık ve manyetizmanın malzemenin içinde birbirini etkilemesine izin verir. "Bu malzemelerde ışık ve manyetizma artık ayrı kanallar olarak çalışmıyor," dedi Menon'un grubunda doktora sonrası araştırmacı ve incelemenin baş yazarı Pratap Chandra Adak. "Bir eksiton, manyetizmanın üzerinde oturan pasif bir ışıkla çalışan uyarım değildir. Spin düzenini ve magnonları algılayabilir ve doğru koşullar altında manyetik durumu kontrol etmeye bile yardımcı olabilir."

İnceleme, krom triiyodür, nikel fosfor trisülfür ve krom sülfür bromür dahil olmak üzere birkaç önemli malzeme platformunu inceliyor. Bu iki boyutlu mıknatıslar üzerine yapılan araştırmalar, eksitonlar ve manyetik davranışın birbirini etkilemesinin birkaç yolunu ortaya çıkardı. Eksitonlar, manyeto-optik etkileri önemli ölçüde güçlendirebilir ve bilim insanlarının ışığın polarizasyonundaki değişiklikleri gözlemleyerek manyetik durumları tanımlamasına olanak tanır. Manyetik düzen ayrıca eksitonların enerjisini değiştirebilir ve bir malzeme içinde nerede sınırlandıklarını etkileyebilir. Eksitonlar ve magnonlar arasındaki etkileşimler, optik sinyalleri gigahertz frekanslarında meydana gelen manyetik aktiviteye bağlayabilir. Araştırmacılar ayrıca, ışık ve maddenin özelliklerini birleştiren ve optik bilgiyi bir malzeme boyunca taşıyabilen hibrit parçacıklar olan eksiton polaritonlarını tartışıyor - çünkü doğa görünüşe göre fotonlar ve elektronların yeterli olmadığına karar verdi.

"Son birkaç yılda bu alan, atomik incelikteki kristallerde manyetizmayı tespit etmekten, manyetik düzenin ışık-madde etkileşimlerini nasıl kontrol edebileceğini aktif olarak araştırmaya geçti," dedi fizik profesörü ve incelemenin kıdemli yazarı Menon. "Bu makalenin amacı, bu gelişmeleri tutarlı bir çerçeveye oturtmak ve alanın nereye gidebileceğini belirlemek." Araştırmacılar, son derece küçük ölçeklerde ışık ve manyetizmanın hassas kontrolüne bağlı olacak birkaç potansiyel uygulama belirliyor. Bunlar arasında manyeto-fotonik bellek ve veri okuma, tamamen optik mantık, ayarlanabilir ışık yayan cihazlar ve ma