Magnetisk egenskab i en antiferromagnetisk halvleder muliggør lysmanipulation på nanoskalaen

En stor forskningsudfordring inden for nanoteknologi er at finde effektive måder at kontrollere lys på, en evne, der er afgørende for højopløsningsbilleddannelse, biosensorer og mobiltelefoner. Fordi lys er en elektromagnetisk bølge, der ikke bærer nogen ladning i sig selv, er det svært at manipulere med spænding eller et eksternt magnetfelt. For at løse denne udfordring har ingeniører fundet indirekte måder at manipulere lys på ved hjælp af egenskaberne af de materialer, som lyset reflekterer fra. Udfordringen bliver dog endnu sværere på nanoskalaen, da materialer opfører sig anderledes i atomisk tynde tilstande.

Deep Jariwala, adjunkt i elektro- og systemteknik, og kolleger har opdaget en magnetisk egenskab i antiferromagnetiske materialer, der muliggør manipulation af lys på nanoskalaen og samtidig forbinder halvledermaterialet med magnetisme, et hul som forskere har forsøgt at bygge bro over. i årtier. De beskrev deres resultater i en nylig undersøgelse offentliggjort i Nature Photonics .

I samarbejde med Liang Wu, adjunkt i Institut for Fysik og Astronomi på Penns School of Arts and Sciences, sammen med kandidatstuderende Huiqin Zhang, en doktorand i Jariwalas laboratorium, og Zhuoliang Ni, en doktorand i Wus laboratorium, beskriver forskerne den magnetiske egenskab af FePS3, et antiferromagnetisk halvledermateriale. Christopher Stevens og Joshua Hendrickson fra Air Force Research Laboratory og KBR, Inc. i Ohio, samt Aofeng Bai og Frank Peiris ved Kenyon College i Ohio bidrog også til dette arbejde.

"Vores laboratoriums forskning fokuserer på at finde nye materialer til elektronik, computere, informationslagring og energihøst og konvertering," siger Jariwala. "Klassen af ​​materialer, vi undersøger, er atomisk tynde todimensionelle van der Waals-materialer, og mere specifikt dem, der er halvledende."

Magnetiske materialer klassificeres som enten ferromagneter eller antiferromagneter. Antiferromagneter er materialer, der indeholder linjer af elektroner, der spinder i én retning ved siden af ​​linjer af elektroner, der spinder den modsatte retning, og ophæver enhver tiltræknings- eller frastødningskraft, der er typisk for magneter, hvorimod ferromagneter er dem med elektroner, der alle spinder i samme retning og producerer deres egne. magnetisk felt.

Det antiferromagnetiske materiale, der anvendes i denne undersøgelse, FePS3, eller jernfosfortrisulfid, er en halvleder med unikke optiske egenskaber afhængig af justeringen af ​​dens elektronspinretning.

"Teoretisk set kan vi ændre dens optiske egenskaber ved at anvende et eksternt magnetfelt på denne antiferromagnetiske 2D-halvleder," siger Jariwala. "Og det er sådan, man bruger en magnetisk egenskab til at manipulere lys. Efter at have lavet forbindelsen mellem magnetisme og lysmanipulation, går vi ind på feltet "magnetofotonik", et forskningsområde, som jeg tror vil udvide sig meget i de næste fem til ti år."

Papiret beskriver ikke kun brugen af ​​materialets magnetiske egenskaber til at kontrollere lys, det fremhæver, at der også er en fysisk egenskab ved det involverede materiale.

"Vi finder også, at for specifikke tykkelser virker dette antiferromagnetiske materiale som et hulrum, der markant forbedrer dets interaktion med lys og dets ændring med den magnetiske egenskab," siger Jariwala. "Dette er vigtigt, når man forsøger at udvikle en effektiv teknik til lysstyring."

"Forestil dig materialets hulrum som rummet mellem to parallelle spejle," siger han. "Når du står i dette rum, vil du se et uendeligt antal af dine egne refleksioner, som opstår, fordi det lys, du observerer, interagerer med spejlenes medium mange gange. Jo flere interaktioner lyset har med mediet, før det undslipper, stærkere den optiske effekt. Ved at skabe et meget interaktivt hulrum ved at ændre tykkelsen af ​​materialet, kan vi producere stærke optiske reaktioner, kun nu styres de også af halvlederens magnetiske egenskaber."

Jariwalas arbejde forbinder de magnetiske og optiske egenskaber af antiferromagnetiske nanomaterialer og åbner døre til ingeniørlys til højteknologiske applikationer.

Manipulationen af ​​lys er ikke kun vigtig for teknologiske fremskridt, det er også et værktøj, der bruges til at karakterisere materialer.

"Dette arbejde relaterer sig også til en tidligere undersøgelse ledet af Liang, der demonstrerede evnen af ​​anden harmonisk generations mikroskopi til direkte at afbilde spin-justeringen i en anden antiferromagnetisk halvleder på monolagsniveau," siger Jariwala.

"Denne type mikroskopi er en specialiseret måde at observere en unik optisk egenskab, der kun findes i visse materialer. Ved hjælp af denne specialiserede mikroskopiteknik kan vi nu karakterisere materialer og kortlægge deres magnetiske egenskaber med en tykkelse på blot nogle få atomer. Disse papirer fremhæver sammen betydningen af ​​optiske egenskaber for både at forstå materialer bedre og udvikle nye former for billeddannelse og mikroskopiteknikker." siger Wu

Forskernes næste skridt vil være at bringe teorien om lysmanipulation ved magnetisme til praksis ved aktivt at anvende magnetiske felter til udvalgte orienterende spins i antiferromagnetiske materialer, og teste evnen til at skabe magnetofotoniske kredsløb.

"Vi er meget begejstrede for disse observationer, især fordi de er i halvledermaterialer, hvor vi har forskellige andre knapper til manipulation," siger Jariwala. "Derudover er denne klasse af materialer meget bredere med mange flere kombinationer at udforske, herunder at finde måder at hæve de magnetiske overgangstemperaturer på. Vi søger nu at finde og designe måder at manipulere lys inde i disse materialer ved hjælp af flere kontrolknapper og se hvordan Vi kan stærkt tune dem i rigtige enheder." + Udforsk yderligere

Spintronics:Forbedring af elektronik med finere spinkontrol