Учёные увидели вращающиеся квазичастицы в двумерном магните

Новое исследование показывает, что вращающиеся квазичастицы, или магноны, загораются в паре со светоизлучающими квазичастицами, или экситонами, с потенциальными приложениями квантовой информации.

Все магниты содержат вращающиеся квазичастицы, называемые магнонами. Это верно для всех магнитов, от простых сувениров, висящих на вашем холодильнике, до дисков, которые обеспечивают память вашего компьютера, до мощных версий, используемых в исследовательских лабораториях. Направление вращения одного магнона может влиять на направление его соседа, который, в свою очередь, влияет на вращение его соседа и т. д., приводя к так называемым спиновым волнам. Спиновые волны потенциально могут передавать информацию более эффективно, чем электричество, а магноны могут служить «квантовыми межсоединениями», которые «склеивают» квантовые биты вместе в мощные компьютеры.

Хотя магноны обладают огромным потенциалом, их часто трудно обнаружить без громоздкого лабораторного оборудования. По словам исследователя из Колумбийского университета Сяояна Чжу, такие установки подходят для проведения экспериментов, но не для разработки устройств, таких как магнонные устройства и так называемая спинтроника. Однако наблюдение магнонов может быть намного проще с помощью правильного материала: магнитного полупроводника, называемого бромистым сульфидом хрома (CrSBr), который можно разделить на тонкие двухмерные слои, синтезированные в лаборатории профессора химического факультета Ксавьера Роя.

«Впервые мы можем увидеть магноны с помощью простого оптического эффекта».
— Сяоян Чжу

В новой статье, опубликованной в журнале Nature 7 сентября, Чжу и его сотрудники из Колумбийского университета, Вашингтонского университета , Нью-Йоркского университета и Национальной лаборатории Ок-Риджа показывают, что магноны в CrSBr могут образовывать пары с другой квазичастицей, называемой экситоном, который излучает свет, предлагая исследователям механизм «увидеть» вращающуюся квазичастицу.

Возмущая магноны светом, они наблюдали колебания от экситонов в ближнем инфракрасном диапазоне, почти видимом невооруженным глазом. «Впервые мы можем увидеть магноны с помощью простого оптического эффекта», — сказал Чжу.

Результаты можно рассматривать как квантовую трансдукцию или преобразование одного «кванта» энергии в другой, сказал первый автор Юн Джун (Юнис) Бэ, постдоктор в лаборатории Чжу. Энергия экситонов на четыре порядка больше энергии магнонов; теперь, поскольку они так сильно соединяются вместе, мы можем легко наблюдать крошечные изменения в магнонах, объяснил Бэ. Эта трансдукция может однажды позволить исследователям построить квантовые информационные сети, которые смогут получать информацию из квантовых битов, основанных на вращении, — которые обычно должны располагаться в пределах миллиметров друг от друга — и преобразовывать ее в свет, форму энергии, которая может передавать информацию вверх. на сотни миль по оптическим волокнам.

Чжу сказал, что время когерентности — то, как долго могут длиться колебания — также было замечательным, оно длилось намного дольше, чем предел эксперимента в пять наносекунд. Это явление может распространяться на семь микрометров и сохраняться, даже если устройства CrSBr состоят всего из двух слоев толщиной в атом, что повышает возможность создания наноразмерных устройств спинтроники. Эти устройства однажды могут стать более эффективной альтернативой современной электронике. В отличие от электронов в электрическом токе, которые встречают сопротивление при движении, в спиновой волне на самом деле не движутся никакие частицы.

Отсюда ученые планируют исследовать квантовый информационный потенциал CrSBr, а также другие кандидаты в материалы. «В MRSEC и EFRC мы изучаем квантовые свойства нескольких 2D-материалов, которые можно складывать друг в друга, как бумагу, для создания всевозможных новых физических явлений», — сказал Чжу.

Например, если магнон-экситонная связь может быть обнаружена в других видах магнитных полупроводников с несколько иными свойствами, чем у CrSBr, они могут излучать свет в более широком диапазоне цветов. «Мы собираем набор инструментов для создания новых устройств с настраиваемыми свойствами, — сказал Чжу.

Ссылка: «Когерентные магноны, связанные с экситонами, в двумерном полупроводнике» Юн Джу Бэ, Джуэ Ван, Аллен Шей, Джунвен Сю, Дэниел Г. Чика, Джеффри М. Дидерих, Джон Ценкер, Майкл Э. Зибель, Юсонг Бай, Хаовэн Рен. , Кори Р. Дин, Милан Делор, Сяодун Сюй, Ксавье Рой, Эндрю Д. Кент и Сяоян Чжу, 7 сентября 2022 г., Nature ,
DOI: 10.1038/s41586-022-05024-1

Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.