Lasere udløser magnetisme i atomisk tynde kvantematerialer

Forskere har opdaget, at lys - i form af en laser - kan udløse en form for magnetisme i et normalt ikke-magnetisk materiale. Denne magnetisme centrerer sig om elektronernes opførsel. Disse subatomære partikler har en elektronisk egenskab kaldet "spin", som har en potentiel anvendelse i kvanteberegning. Forskerne fandt ud af, at elektroner i materialet blev orienteret i samme retning, når de blev belyst af fotoner fra en laser.

Eksperimentet, ledet af forskere ved University of Washington og University of Hong Kong, blev offentliggjort den 20. april i Nature .

Ved at kontrollere og justere elektronspin på dette niveau af detaljer og nøjagtighed kan denne platform have anvendelser inden for kvantesimulering, ifølge co-senior forfatter Xiaodong Xu, en Boeing Distinguished Professor ved UW i Institut for Fysik og Instituttet af Materials Science and Engineering.

"I dette system kan vi i det væsentlige bruge fotoner til at kontrollere 'grundtilstandsegenskaberne' - såsom magnetisme - af ladninger fanget i halvledermaterialet," sagde Xu, der også er fakultetsforsker ved UW's Clean Energy Institute og Molecular Engineering &Sciences Institute. "Dette er et nødvendigt kontrolniveau for at udvikle visse typer qubits - eller 'kvantebits' - til kvanteberegning og andre applikationer."

Xu, hvis forskerhold stod i spidsen for eksperimenterne, ledede undersøgelsen sammen med co-senior forfatter Wang Yao, professor i fysik ved University of Hong Kong, hvis team arbejdede på teorien, der understøttede resultaterne. Andre UW-fakultetsmedlemmer, der er involveret i denne undersøgelse, er medforfattere Di Xiao, en UW-professor i fysik og materialevidenskab og ingeniørvidenskab, som også har en fælles ansættelse ved Pacific Northwest National Laboratory, og Daniel Gamelin, en UW-professor i kemi og direktør fra Molecular Engineering Materials Center.

Holdet arbejdede med ultratynde plader - hver kun tre lag atomer tykke - af wolframdiselenid og wolframdisulfid. Begge er halvledermaterialer, så navngivet, fordi elektroner bevæger sig gennem dem med en hastighed mellem et fuldt ledende metal og en isolator, med potentielle anvendelser i fotonik og solceller. Forskere stablede de to ark for at danne et "moiré supergitter", en stablet struktur bestående af gentagne enheder.

Stablede ark som disse er kraftfulde platforme til kvantefysik og materialeforskning, fordi supergitterstrukturen kan holde excitoner på plads. Excitoner er bundne par af "ophidsede" elektroner og deres tilknyttede positive ladninger, og videnskabsmænd kan måle, hvordan deres egenskaber og adfærd ændrer sig i forskellige supergitterkonfigurationer.

Forskerne studerede excitonegenskaberne i materialet, da de gjorde den overraskende opdagelse, at lys udløser en central magnetisk egenskab i det normalt ikke-magnetiske materiale. Fotoner tilvejebragt af laseren "exciterede" excitoner inden for laserstrålens bane, og disse excitoner inducerede en type langdistancekorrelation blandt andre elektroner, hvor deres spin alle orienterede i samme retning.

"Det er som om excitonerne i supergitteret var begyndt at 'tale' med rumligt adskilte elektroner," sagde Xu. "Derefter etablerede elektronerne via excitoner udvekslingsinteraktioner, der danner det, der er kendt som en 'ordnet tilstand' med justerede spins."

Spin-justeringen, som forskerne var vidne til i supergitteret, er karakteristisk for ferromagnetisme, den form for magnetisme, der er iboende for materialer som jern. Det er normalt fraværende i wolframdiselenid og wolframdisulfid. Hver gentagende enhed i moiré-supergitteret fungerer i det væsentlige som en kvanteprik for at "fange" et elektronspin, sagde Xu. Fangede elektronspin, der kan "tale" med hinanden, som disse kan, er blevet foreslået som grundlag for en type qubit, den grundlæggende enhed for kvantecomputere, der kunne udnytte kvantemekanikkens unikke egenskaber til beregning.

I et separat papir udgivet 25. november i Science , Xu og hans samarbejdspartnere fandt nye magnetiske egenskaber i moiré-supergitter dannet af ultratynde ark af chromtriiodid. I modsætning til wolframdiselenid og wolframdisulfid har chromtriiodid iboende magnetiske egenskaber, selv som et enkelt atomark. Stablede chromtriiodidlag dannede alternerende magnetiske domæner:et, der er ferromagnetisk - med spin alle justeret i samme retning - og et andet, der er "antiferromagnetisk", hvor spins peger i modsatte retninger mellem tilstødende lag af supergitteret og i det væsentlige "udligner hinanden" " ifølge Xu. Denne opdagelse belyser også forholdet mellem et materiales struktur og dets magnetisme, der kan drive fremtidige fremskridt inden for computere, datalagring og andre felter.

"Det viser dig de magnetiske 'overraskelser', der kan gemme sig i moiré-supergitter dannet af 2D-kvantematerialer," sagde Xu. "Du kan aldrig være sikker på, hvad du finder, medmindre du kigger."

Første forfatter af Nature papir er Xi Wang, en UW postdoc forsker i fysik og kemi. Andre medforfattere er Chengxin Xiao ved University of Hong Kong; UW fysik ph.d.-studerende Heonjoon Park og Jiayi Zhu; Chong Wang, en UW-forsker i materialevidenskab og teknik; Takashi Taniguchi og Kenji Watanabe ved National Institute for Materials Science i Japan; og Jiaqiang Yan ved Oak Ridge National Laboratory. + Udforsk yderligere

Simple materialer giver et kig ind i kvanteverdenen