Физики из Городского колледжа Нью-Йорка (CCNY) обнаружили новый механизм взаимодействия между электронными возбуждениями, известными как экситоны, в атомарно тонких магнитных материалах. Исследование показало, что эти квазичастицы, представляющие собой связанные пары электрона и дырки, могут взаимодействовать друг с другом не напрямую, а через посредников — спиновые волны, или магноны.
Работа проводилась в Лаборатории нано- и микрофотоники (LaNMP) под руководством физика Винода Менона. Команда сосредоточилась на изучении явлений в так называемых двумерных (2D) магнитах, материалах толщиной всего в несколько атомных слоев, обладающих уникальными магнитными свойствами.
Магноны, по своей сути, являются коллективными возбуждениями магнитной структуры материала, распространяющимися подобно волнам. Винод Менон сравнивает их с «крошечными флип-флопами атомных магнитов внутри кристалла». Он поясняет механизм взаимодействия: один экситон локально изменяет магнетизм среды, создавая магнонную волну, которая затем воздействует на другой, находящийся поблизости экситон. Это похоже на то, как «два плавающих объекта притягиваются друг к другу, возмущая водные волны вокруг себя».
Эксперименты проводились с использованием магнитного полупроводника бромида серы хрома (CrSBr). Ранее группа Менона уже демонстрировала, что этот материал обладает сильным взаимодействием света с веществом, что делает его перспективной платформой для оптоэлектронных исследований. Обнаруженное взаимодействие экситонов через магноны стало новым важным свойством CrSBr.
Ключевой особенностью этого новооткрытого взаимодействия является возможность управлять им извне с помощью магнитного поля. Благодаря настраиваемому магнетизму двумерных материалов, таких как CrSBr, силу взаимодействия между экситонами можно эффективно «включать» или «выключать», изменяя внешнее поле.
Постдокторант Бисваджит Датта, один из ведущих авторов исследования, подчеркивает, что такая степень контроля труднодостижима для других типов взаимодействий между квазичастицами. Эта управляемость открывает значительные перспективы для создания новых устройств.
Открытие прокладывает путь к разработке технологий будущего. Среди потенциальных применений — создание оптических модуляторов, полностью оптических логических элементов и квантовых преобразователей. Особое внимание уделяется последним.
Квантовые преобразователи — это устройства, способные конвертировать квантовые сигналы из одной частотной области в другую, например, из микроволновой в оптическую. Как отмечает Пратап Чандра Адак, также ведущий автор работы, такие преобразователи являются критически важными компонентами для построения масштабируемых квантовых компьютеров и развития квантового интернета.
Результаты исследования были опубликованы в престижном научном журнале Nature Materials.
Основной вклад в работу внесли постдокторанты Бисваджит Датта и Пратап Чандра Адак, а также аспиранты Сычао Юй и Агнея Дхармапалан из группы Винода Менона.
Исследование проводилось в сотрудничестве с учеными из Передового научно-исследовательского центра CUNY (CUNY Advanced Science Research Center), Химико-технологического университета в Праге (University of Chemistry and Technology—Prague), Рейнланд-Пфальцского технического университета Кайзерслаутерн-Ландау в Германии (RPTU—Kaiserslautern, Germany) и Национальной лаборатории возобновляемой энергии США (NREL, U.S.).
Изображение носит иллюстративный характер
Работа проводилась в Лаборатории нано- и микрофотоники (LaNMP) под руководством физика Винода Менона. Команда сосредоточилась на изучении явлений в так называемых двумерных (2D) магнитах, материалах толщиной всего в несколько атомных слоев, обладающих уникальными магнитными свойствами.
Магноны, по своей сути, являются коллективными возбуждениями магнитной структуры материала, распространяющимися подобно волнам. Винод Менон сравнивает их с «крошечными флип-флопами атомных магнитов внутри кристалла». Он поясняет механизм взаимодействия: один экситон локально изменяет магнетизм среды, создавая магнонную волну, которая затем воздействует на другой, находящийся поблизости экситон. Это похоже на то, как «два плавающих объекта притягиваются друг к другу, возмущая водные волны вокруг себя».
Эксперименты проводились с использованием магнитного полупроводника бромида серы хрома (CrSBr). Ранее группа Менона уже демонстрировала, что этот материал обладает сильным взаимодействием света с веществом, что делает его перспективной платформой для оптоэлектронных исследований. Обнаруженное взаимодействие экситонов через магноны стало новым важным свойством CrSBr.
Ключевой особенностью этого новооткрытого взаимодействия является возможность управлять им извне с помощью магнитного поля. Благодаря настраиваемому магнетизму двумерных материалов, таких как CrSBr, силу взаимодействия между экситонами можно эффективно «включать» или «выключать», изменяя внешнее поле.
Постдокторант Бисваджит Датта, один из ведущих авторов исследования, подчеркивает, что такая степень контроля труднодостижима для других типов взаимодействий между квазичастицами. Эта управляемость открывает значительные перспективы для создания новых устройств.
Открытие прокладывает путь к разработке технологий будущего. Среди потенциальных применений — создание оптических модуляторов, полностью оптических логических элементов и квантовых преобразователей. Особое внимание уделяется последним.
Квантовые преобразователи — это устройства, способные конвертировать квантовые сигналы из одной частотной области в другую, например, из микроволновой в оптическую. Как отмечает Пратап Чандра Адак, также ведущий автор работы, такие преобразователи являются критически важными компонентами для построения масштабируемых квантовых компьютеров и развития квантового интернета.
Результаты исследования были опубликованы в престижном научном журнале Nature Materials.
Основной вклад в работу внесли постдокторанты Бисваджит Датта и Пратап Чандра Адак, а также аспиранты Сычао Юй и Агнея Дхармапалан из группы Винода Менона.
Исследование проводилось в сотрудничестве с учеными из Передового научно-исследовательского центра CUNY (CUNY Advanced Science Research Center), Химико-технологического университета в Праге (University of Chemistry and Technology—Prague), Рейнланд-Пфальцского технического университета Кайзерслаутерн-Ландау в Германии (RPTU—Kaiserslautern, Germany) и Национальной лаборатории возобновляемой энергии США (NREL, U.S.).
