En ny kvasipartikel, der er delvist stof, delvist lys, er opstået i eksperimenter udført af forskere ved City College i New York, USA, som observerede det ved at koble lys til en stak af ultratynde todimensionelle antiferromagneter. Arbejdet kan have konsekvenser for enheder som lasere eller for digital datalagring.
At koble lys kraftigt til stof er en velkendt måde at konstruere egenskaber såsom magnetisme, superledning og ferroelektricitet i kvantematerialer. En måde at gøre dette på er ved at opsætte interaktioner mellem elementarpartikler og optiske mikrohulrum, som er strukturer, hvor lys reflekteres frem og tilbage mellem to eller flere spejle.
Stærkt kobling af fotoner med spin-korrelerede excitoner
I det nye arbejde har forskere ledet af Vinod Menon studeret et materiale med den kemiske formel NiPS3. Dette materiale tilhører en kemisk familie kendt som overgangsmetallet thiophosphater, og fysikere af kondenseret stof kender det som en van der Waals (vdW) magnetisk isolator - det vil sige et todimensionelt materiale, der indeholder stærkt korrelerede partikler, der giver anledning til en række forskellige af elektroniske og magnetiske faser.
Da forskerne placerede en stak ultratynde NiPS3 lag i et optisk mikrohulrum, observerede de en stærk kobling mellem spin-korrelerede excitoner (kvasipartikler lavet af elektron-hul-par) i materialet og fotoner fanget mellem hulrummets spejle. Denne foton-exciton-kobling gav anledning til en tidligere uobserveret type kvasipartikel kendt som en exciton-polariton, der har egenskaber af excitoner, fotoner og spins.
Dels let, dels stof
Da disse nye kvasipartikler i virkeligheden er "dellys", opfører de sig som fotoner i mange henseender, siger Florian Dirnberger, der er hovedforfatter på et papir i Natur Nanoteknologi på arbejdet. "Deres stofdel stammer imidlertid fra et magnetisk materiale, så dets egenskaber er stærkt knyttet til materialets antiferromagnetiske orden," tilføjer han. "Dette giver anledning til stærk lineær polarisering."
Anomal Josephson-effekt vises i en topologisk isolator
Ifølge forskerne er denne tilgang til at forbinde lys med magnetiske materialer en lovende vej mod effektive magneto-optiske effekter, der kan have anvendelse i lasere og i digital datalagring. Hvad mere er, kan den nye klasse af magnetiske kvasipartikler bruges til kvantetransduktion gennem interaktioner mellem lavfrekvente magnoner (kollektive oscillationer af spinmagnetiske momenter af et materiale), højfrekvente excitoner og synligt lys.
Medlemmer af holdet siger, at de nu planlægger at udvide deres undersøgelse i et forsøg på bedre at forstå rollen af det kvanteelektrodynamiske vakuum, når kvantematerialer placeres i optiske hulrum. De håber at realisere nye kvantefaser af stof, der ikke har nogen modstykke i det klassiske (termodynamiske ligevægts-) regime.
