Forskare har upptäckt att ljus – i form av en laser – kan utlösa en form av magnetism i ett normalt icke-magnetiskt material. Denna magnetism fokuserar på elektronernas beteende. Dessa subatomära partiklar har en elektronisk egenskap som kallas "spin", som har en potentiell tillämpning inom kvantberäkning. Forskarna fann att elektroner i materialet blev orienterade i samma riktning när de belyses av fotoner från en laser.

Experimentet, ledd av forskare vid University of Washington och University of Hong Kong, publicerades den 20 april i Nature .

Genom att kontrollera och justera elektronsnurr på denna detaljnivå och noggrannhet kan denna plattform ha tillämpningar inom området kvantsimulering, enligt co-senior författare Xiaodong Xu, en Boeing Distinguished Professor vid UW vid institutionen för fysik och institutionen av materialvetenskap och teknik.

"I det här systemet kan vi huvudsakligen använda fotoner för att kontrollera "grundtillstånds"-egenskaperna - såsom magnetism - hos laddningar som är fångade i halvledarmaterialet, säger Xu, som också är en fakultetsforskare vid UW:s Clean Energy Institute och Molecular Engineering &Sciences Institute. "Detta är en nödvändig nivå av kontroll för att utveckla vissa typer av kvantbitar - eller "kvantbitar" - för kvantberäkning och andra applikationer."

Xu, vars forskargrupp ledde experimenten, ledde studien med co-seniorförfattaren Wang Yao, professor i fysik vid University of Hong Kong, vars team arbetade med teorin som ligger till grund för resultaten. Andra UW-fakultetsmedlemmar som är involverade i denna studie är medförfattare Di Xiao, en UW-professor i fysik och materialvetenskap och ingenjörskonst som också har en gemensam anställning vid Pacific Northwest National Laboratory, och Daniel Gamelin, en UW-professor i kemi och direktör från Molecular Engineering Materials Center.

Teamet arbetade med ultratunna ark - var och en bara tre lager av atomer tjocka - av volframdiselenid och volframdisulfid. Båda är halvledarmaterial, så namngivna eftersom elektroner rör sig genom dem i en hastighet mellan den för en helt ledande metall och en isolator, med potentiell användning i fotonik och solceller. Forskare staplade de två arken för att bilda ett "moiré-supergitter", en staplad struktur som består av upprepade enheter.

Staplade ark som dessa är kraftfulla plattformar för kvantfysik och materialforskning eftersom supergitterstrukturen kan hålla excitoner på plats. Excitoner är bundna par av "exciterade" elektroner och deras associerade positiva laddningar, och forskare kan mäta hur deras egenskaper och beteende förändras i olika supergitterkonfigurationer.

Forskarna studerade excitonegenskaperna i materialet när de gjorde den överraskande upptäckten att ljus utlöser en nyckelmagnetisk egenskap i det normalt ickemagnetiska materialet. Fotoner som tillhandahålls av lasern "exciterade" excitoner inom laserstrålens bana, och dessa excitoner inducerade en typ av långdistanskorrelation mellan andra elektroner, med deras spinn alla orienterade i samma riktning.

"Det är som om excitonerna i supergittret hade börjat "prata" med rumsligt separerade elektroner," sa Xu. "Sedan, via excitoner, etablerade elektronerna utbytesinteraktioner och bildade vad som kallas ett "ordnat tillstånd" med justerade spinn."

Spinnjusteringen som forskarna bevittnade inom supergittret är ett kännetecken för ferromagnetism, den form av magnetism som är inneboende i material som järn. Det är normalt frånvarande i volframdiselenid och volframdisulfid. Varje upprepande enhet inom moiré-supergittret fungerar i huvudsak som en kvantprick för att "fånga" ett elektronspin, sa Xu. Instängda elektronsnurr som kan "prata" med varandra, som dessa kan, har föreslagits som grunden för en typ av qubit, den grundläggande enheten för kvantdatorer som skulle kunna utnyttja kvantmekanikens unika egenskaper för beräkning.

I en separat artikel publicerad 25 november i Science , fann Xu och hans medarbetare nya magnetiska egenskaper i moiré-supergitter bildade av ultratunna ark av kromtrijodid. Till skillnad från volframdiselenid och volframdisulfid har kromtrijodid inneboende magnetiska egenskaper, även som ett enda atomark. Staplade kromtrijodidskikt bildade alternerande magnetiska domäner:en som är ferromagnetisk - med alla spinn i samma riktning - och en annan som är "antiferromagnetisk", där spinn pekar i motsatta riktningar mellan intilliggande lager av supergittret och i huvudsak "upphäver varandra" ", enligt Xu. Den upptäckten belyser också sambanden mellan ett material struktur och dess magnetism som kan driva fram framtida framsteg inom datoranvändning, datalagring och andra områden.

"Den visar dig de magnetiska "överraskningarna" som kan gömma sig i moiré-supergitter som bildas av 2D-kvantmaterial," sa Xu. "Du kan aldrig vara säker på vad du hittar om du inte letar."

Första författare av Nature uppsats är Xi Wang, en UW-postdoktor i fysik och kemi. Andra medförfattare är Chengxin Xiao vid University of Hong Kong; UW fysik doktorander Heonjoon Park och Jiayi Zhu; Chong Wang, en UW-forskare inom materialvetenskap och ingenjörskonst; Takashi Taniguchi och Kenji Watanabe vid National Institute for Materials Science i Japan; och Jiaqiang Yan vid Oak Ridge National Laboratory. + Utforska vidare

Enkla material ger en titt in i kvantvärlden