Forskere ser spins i en 2D-magnet

Alle magneter - lige fra de simple souvenirs, der hænger på dit køleskab til diskene, der giver din computer hukommelse til de kraftfulde versioner, der bruges i forskningslaboratorier - indeholder roterende kvasipartikler kaldet magnoner. Den retning, en magnon drejer, kan påvirke dens nabos, hvilket påvirker dens nabos spin, og så videre, hvilket giver det, der er kendt som spin-bølger. Information kan potentielt transmitteres via spinbølger mere effektivt end med elektricitet, og magnoner kan tjene som "kvanteforbindelser", der "limer" kvantebits sammen til kraftige computere.

Magnoner har et enormt potentiale, men de er ofte svære at opdage uden omfangsrige laboratorieudstyr. Sådanne opsætninger er fine til at udføre eksperimenter, men ikke til at udvikle enheder, sagde Columbia-forsker Xiaoyang Zhu, såsom magnoniske enheder og såkaldte spintronics. At se magnoner kan dog gøres meget enklere med det rigtige materiale:en magnetisk halvleder kaldet chromsulfidbromid (CrSBr), der kan skrælles i atomtynde 2D-lag, syntetiseret i professor Xavier Roys laboratorium for Kemi.

I en ny artikel i Nature , Zhu og samarbejdspartnere ved Columbia, University of Washington, New York University og Oak Ridge National Laboratory viser, at magnoner i CrSBr kan parre sig med en anden kvasipartikel kaldet en exciton, som udsender lys, hvilket giver forskerne et middel til at "se" spindende kvasipartikel.

Da de forstyrrede magnonerne med lys, observerede de svingninger fra excitonerne i det nær-infrarøde område, som næsten er synligt for det blotte øje. "For første gang kan vi se magnoner med en simpel optisk effekt," sagde Zhu.

Resultaterne kan ses som kvantetransduktion eller omdannelse af en "kvante" af energi til en anden, sagde førsteforfatter Youn Jun (Eunice) Bae, en postdoc i Zhus laboratorium. Excitonernes energi er fire størrelsesordener større end magnonernes; Nu, fordi de parrer sig så stærkt, kan vi nemt observere små ændringer i magnonerne, forklarede Bae. Denne transduktion kan en dag gøre det muligt for forskere at bygge kvanteinformationsnetværk, der kan tage information fra spin-baserede kvantebits - som generelt skal være placeret inden for millimeter fra hinanden - og konvertere det til lys, en form for energi, der kan overføre information op til hundreder af miles via optiske fibre

Kohærenstiden - hvor længe svingningerne kan vare - var også bemærkelsesværdig, sagde Zhu, der varede meget længere end eksperimentets grænse på fem nanosekunder. Fænomenet kunne rejse over syv mikrometer og fortsætte, selv når CrSBr-enhederne var lavet af kun to atom-tynde lag, hvilket øger muligheden for at bygge spintroniske enheder i nanoskala. Disse enheder kunne en dag være mere effektive alternativer til nutidens elektronik. I modsætning til elektroner i en elektrisk strøm, der støder på modstand, når de bevæger sig, bevæger ingen partikler sig faktisk i en spin-bølge.

Herfra planlægger forskerne at udforske CrSBrs kvanteinformationspotentiale såvel som andre materialekandidater. "I MRSEC og EFRC udforsker vi kvanteegenskaberne af adskillige 2D-materialer, som du kan stable som papirer for at skabe alle slags nye fysiske fænomener," sagde Zhu.

For eksempel, hvis magnon-exciton-kobling kan findes i andre slags magnetiske halvledere med lidt andre egenskaber end CrSBr, kan de udsende lys i en bredere række af farver.

"Vi er ved at samle værktøjskassen for at konstruere nye enheder med egenskaber, der kan tilpasses," tilføjede Zhu. + Udforsk yderligere

Unikt kvantemateriale kunne muliggøre ultrakraftfulde, kompakte computere