Paret mellan magnoner och excitoner kommer att tillåta forskare att se spinnriktningar, en viktig faktor för flera kvanttillämpningar. Kredit:Chung-Jui Yu
Alla magneter – från de enkla souvenirerna som hänger på ditt kylskåp till skivorna som ger din datorminne till de kraftfulla versionerna som används i forskningslabb – innehåller snurrande kvasipartiklar som kallas magnoner. Riktningen en magnon snurrar kan påverka sin grannes snurr, vilket påverkar sin grannes snurr och så vidare, vilket ger vad som kallas spinnvågor. Information kan potentiellt överföras via spinnvågor mer effektivt än med elektricitet, och magnoner kan fungera som "kvantsammankopplingar" som "limmar" kvantbitar till kraftfulla datorer.
Magnoner har en enorm potential, men de är ofta svåra att upptäcka utan skrymmande labbutrustning. Sådana inställningar är bra för att genomföra experiment, men inte för att utveckla enheter, sa Columbia-forskaren Xiaoyang Zhu, såsom magnoniska enheter och så kallad spintronik. Att se magnoner kan dock göras mycket enklare med rätt material:en magnetisk halvledare som kallas kromsulfidbromid (CrSBr) som kan skalas till atomtunna 2D-lager, syntetiserad i professor Xavier Roys kemiska institution, professor Xavier Roys labb.
I en ny artikel i Nature , Zhu och medarbetare vid Columbia, University of Washington, New York University och Oak Ridge National Laboratory visar att magnoner i CrSBr kan paras ihop med en annan kvasipartikel som kallas exciton, som avger ljus, vilket ger forskarna ett sätt att "se" snurrande kvasipartikel.
När de störde magnonerna med ljus, observerade de svängningar från excitonerna i det nära-infraröda området, som nästan är synligt för blotta ögat. "För första gången kan vi se magnoner med en enkel optisk effekt," sa Zhu.
Resultaten kan ses som kvanttransduktion, eller omvandling av en "kvanta" av energi till en annan, sa förstaförfattaren Youn Jun (Eunice) Bae, en postdoc i Zhus labb. Energin hos excitoner är fyra storleksordningar större än för magnoner; nu, eftersom de paras ihop så starkt, kan vi lätt observera små förändringar i magnonerna, förklarade Bae. Denna omvandling kan en dag göra det möjligt för forskare att bygga kvantinformationsnätverk som kan ta information från spinnbaserade kvantbitar – som i allmänhet måste placeras inom millimeter från varandra – och omvandla den till ljus, en form av energi som kan överföra information uppåt. till hundratals mil via optiska fibrer
Koherenstiden - hur länge svängningarna kan pågå - var också anmärkningsvärd, sa Zhu, som varade mycket längre än experimentets gräns på fem nanosekunder. Fenomenet kunde sträcka sig över sju mikrometer och kvarstå även när CrSBr-enheterna var gjorda av bara två atomtunna lager, vilket ökar möjligheten att bygga spintroniska enheter i nanoskala. Dessa enheter kan en dag bli mer effektiva alternativ till dagens elektronik. Till skillnad från elektroner i en elektrisk ström som möter motstånd när de färdas, rör sig faktiskt inga partiklar i en spinnvåg.
Härifrån planerar forskarna att utforska CrSBrs kvantinformationspotential, såväl som andra materialkandidater. "I MRSEC och EFRC undersöker vi kvantegenskaperna hos flera 2D-material som du kan stapla som papper för att skapa alla typer av nya fysiska fenomen," sa Zhu.
Till exempel, om magnon-exciton-koppling kan hittas i andra typer av magnetiska halvledare med något andra egenskaper än CrSBr, kan de emittera ljus i ett större spektrum av färger.
"Vi sätter ihop verktygslådan för att konstruera nya enheter med anpassningsbara egenskaper," tillade Zhu. + Utforska vidare
