En stor forskningsutmaning inom nanoteknikområdet är att hitta effektiva sätt att styra ljus, en förmåga som är avgörande för högupplöst bildbehandling, biosensorer och mobiltelefoner. Eftersom ljus är en elektromagnetisk våg som inte bär någon laddning själv, är det svårt att manipulera med spänning eller ett externt magnetfält. För att lösa denna utmaning har ingenjörer hittat indirekta sätt att manipulera ljus med hjälp av egenskaperna hos de material från vilka ljus reflekteras. Men utmaningen blir ännu svårare på nanoskala, eftersom material beter sig annorlunda i atomärt tunna tillstånd.

Deep Jariwala, biträdande professor i el- och systemteknik, och kollegor har upptäckt en magnetisk egenskap i antiferromagnetiska material som möjliggör manipulering av ljus på nanoskala, och samtidigt kopplar halvledarmaterialet till magnetism, ett gap som forskare har försökt överbrygga i årtionden. De beskrev sina resultat i en nyligen publicerad studie publicerad i Nature Photonics .

I samarbete med Liang Wu, biträdande professor vid institutionen för fysik och astronomi vid Penns School of Arts and Sciences, tillsammans med doktoranderna Huiqin Zhang, en doktorand i Jariwalas labb, och Zhuoliang Ni, en doktorand i Wus labb, beskriver forskarna den magnetiska egenskapen hos FePS3, ett antiferromagnetiskt halvledarmaterial. Christopher Stevens och Joshua Hendrickson från Air Force Research Laboratory och KBR, Inc. i Ohio, samt Aofeng Bai och Frank Peiris vid Kenyon College i Ohio bidrog också till detta arbete.

"Vårt labbs forskning fokuserar på att hitta nya material för elektronik, datorer, informationslagring och energiskörd och omvandling", säger Jariwala. "Klassen av material vi undersöker är atomärt tunna tvådimensionella van der Waals-material, och mer specifikt de som är halvledande."

Magnetiska material klassificeras som antingen ferromagneter eller antiferromagneter. Antiferromagneter är material som innehåller linjer av elektroner som snurrar i en riktning bredvid linjer av elektroner som snurrar i motsatt riktning, vilket eliminerar alla attraktions- eller repulsionskrafter som är typiska för magneter, medan ferromagneter är de med elektroner som alla snurrar i samma riktning och producerar sina egna magnetfält.

Det antiferromagnetiska materialet som används i denna studie, FePS3, eller järnfosfortrisulfid, är en halvledare med unika optiska egenskaper beroende på inriktningen av dess elektronspinriktning.

"Teoretiskt, genom att applicera ett externt magnetfält på denna antiferromagnetiska 2D-halvledare, kan vi ändra dess optiska egenskaper", säger Jariwala. "Och det är så man använder en magnetisk egenskap för att manipulera ljus. Efter att ha skapat kopplingen mellan magnetism och ljusmanipulation går vi in ​​på området "magnetofotonik", ett forskningsområde som jag tror kommer att expandera kraftigt under de kommande fem till tio år."

Uppsatsen beskriver inte bara användningen av materialets magnetiska egenskaper för att styra ljus, det belyser att det också finns en fysisk egenskap hos det inblandade materialet.

"Vi finner också att för specifika tjocklekar fungerar detta antiferromagnetiska material som en kavitet som avsevärt förbättrar dess interaktion med ljus och dess förändring med den magnetiska egenskapen", säger Jariwala. "Detta är viktigt när man försöker utveckla en effektiv teknik för ljusstyrning."

"Föreställ dig materialets hålrum som utrymmet mellan två parallella speglar", säger han. "När du står i detta utrymme kommer du att se ett oändligt antal av dina egna reflektioner, vilket uppstår eftersom ljuset du observerar interagerar med speglarnas medium många gånger. Ju fler interaktioner ljuset har med mediet innan det försvinner, starkare den optiska effekten. Genom att skapa en mycket interaktiv kavitet genom att ändra tjockleken på materialet kan vi producera starka optiska svar, bara nu styrs de också av halvledarens magnetiska egenskaper."

Jariwalas arbete kopplar samman de magnetiska och optiska egenskaperna hos antiferromagnetiska nanomaterial och öppnar dörrar för tekniskt ljus för högteknologiska applikationer.

Manipulering av ljus är inte bara viktig för tekniska framsteg, det är också ett verktyg som används för att karakterisera material.

"Detta arbete relaterar också till en tidigare studie ledd av Liang som visade förmågan hos andra övertonsgenerationsmikroskopi att direkt avbilda spininriktningen i en annan antiferromagnetisk halvledare på monolagernivå", säger Jariwala.

"Denna typ av mikroskopi är ett specialiserat sätt att observera en unik optisk egenskap som bara finns i vissa material. Med denna specialiserade mikroskopiteknik kan vi nu karakterisera material och kartlägga deras magnetiska egenskaper med en tjocklek av bara några atomer. Dessa papper tillsammans framhäver betydelsen av optiska egenskaper för att både förstå material bättre och utveckla nya typer av avbildnings- och mikroskopitekniker." säger Wu

Forskarnas nästa steg blir att föra teorin om ljusmanipulation genom magnetism till praktik genom att aktivt applicera magnetiska fält på utvalda orienterande spinn i antiferromagnetiska material, och testa förmågan att skapa magnetofotoniska kretsar.

"Vi är mycket glada över dessa observationer, särskilt eftersom de är i halvledarmaterial där vi har olika andra rattar för manipulation", säger Jariwala. "Dessutom är den här klassen av material mycket bredare med många fler kombinationer att utforska, inklusive att hitta sätt att höja de magnetiska övergångstemperaturerna. Vi letar nu efter att hitta och designa sätt att manipulera ljus inuti dessa material med hjälp av flera kontrollrattar och se hur Vi kan starkt ställa in dem på riktiga enheter." + Utforska vidare

Spintronics:Förbättrar elektroniken med finare spinnkontroll