Ein neues Quasiteilchen, das teils Materie, teils Licht ist, ist in Experimenten von Forschern am City College in New York, USA, aufgetaucht, die es beobachteten, indem sie Licht an einen Stapel ultradünner zweidimensionaler Antiferromagnete koppelten. Die Arbeit könnte Auswirkungen auf Geräte wie Laser oder auf die digitale Datenspeicherung haben.
Die starke Kopplung von Licht an Materie ist eine bekannte Methode, um Eigenschaften wie Magnetismus, Supraleitung und Ferroelektrizität in Quantenmaterialien zu konstruieren. Eine Möglichkeit dazu sind Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen und optischen Mikrokavitäten, also Strukturen, in denen Licht zwischen zwei oder mehr Spiegeln hin und her reflektiert wird.
Starke Kopplung von Photonen mit spinkorrelierten Exzitonen
In der neuen Arbeit führten Forscher durch Vinod Menon untersuchten ein Material mit der chemischen Formel NiPS3. Dieses Material gehört zu einer chemischen Familie, die als Übergangsmetall-Thiophosphate bekannt ist, und Physiker der kondensierten Materie kennen es als Van-der-Waals (vdW)-Magnetisolator – also ein zweidimensionales Material, das stark korrelierte Teilchen enthält, aus denen eine Vielfalt entsteht von elektronischen und magnetischen Phasen.
Als die Forscher einen Stapel ultradünnen NiPS platzierten3 Schichten innerhalb eines optischen Mikrohohlraums beobachteten sie eine starke Kopplung zwischen spinkorrelierten Exzitonen (Quasiteilchen aus Elektron-Loch-Paaren) im Material und zwischen den Spiegeln des Hohlraums eingefangenen Photonen. Diese Photon-Exziton-Kopplung führte zu einer bisher unbeobachteten Art von Quasiteilchen, bekannt als Exziton-Polariton, das Eigenschaften von Exzitonen, Photonen und Spins hat.
Teils Licht, teils Materie
Da diese neuen Quasiteilchen tatsächlich „Teillicht“ sind, verhalten sie sich in vielerlei Hinsicht wie Photonen, sagt Florian Dirnberger, der Hauptautor eines Artikels in Natur Nanotechnologie auf der Arbeit. „Ihr Materieanteil stammt jedoch aus einem magnetischen Material, sodass seine Eigenschaften stark an die antiferromagnetische Ordnung des Materials gebunden sind“, fügt er hinzu. „Dadurch entsteht eine starke lineare Polarisierung.“
Anomaler Josephson-Effekt tritt in einem topologischen Isolator auf
Laut den Forschern ist dieser Ansatz, Licht mit magnetischen Materialien zu verbinden, ein vielversprechender Weg zu effizienten magneto-optischen Effekten, die Anwendungen in Lasern und in der digitalen Datenspeicherung haben könnten. Darüber hinaus könnte die neue Klasse magnetischer Quasiteilchen für die Quantentransduktion durch Wechselwirkungen zwischen niederfrequenten Magnonen (kollektive Schwingungen der magnetischen Spinmomente eines Materials), hochfrequenten Exzitonen und sichtbarem Licht verwendet werden.
Mitglieder des Teams sagen, dass sie nun planen, ihre Studie zu erweitern, um die Rolle des elektrodynamischen Quantenvakuums besser zu verstehen, wenn Quantenmaterialien in optische Hohlräume eingebracht werden. Sie hoffen, neuartige Quantenphasen der Materie zu realisieren, die im klassischen Regime (thermodynamisches Gleichgewicht) kein Gegenstück haben.
