Ένα νέο οιονείσωματίδιο που είναι μέρος της ύλης, μέρος του φωτός εμφανίστηκε σε πειράματα ερευνητών στο City College της Νέας Υόρκης, οι οποίοι το παρατήρησαν συνδέοντας το φως σε μια στοίβα εξαιρετικά λεπτών δισδιάστατων αντισιδηρομαγνητών. Η εργασία θα μπορούσε να έχει συνέπειες για συσκευές όπως τα λέιζερ ή για την αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων.
Η ισχυρή σύζευξη του φωτός με την ύλη είναι ένας πολύ γνωστός τρόπος μηχανικών ιδιοτήτων όπως ο μαγνητισμός, η υπεραγωγιμότητα και ο σιδηροηλεκτρισμός σε κβαντικά υλικά. Ένας τρόπος για να γίνει αυτό είναι η δημιουργία αλληλεπιδράσεων μεταξύ στοιχειωδών σωματιδίων και οπτικών μικροκοιλοτήτων, οι οποίες είναι δομές στις οποίες το φως αντανακλάται εμπρός και πίσω μεταξύ δύο ή περισσότερων κατόπτρων.
Ισχυρά φωτόνια σύζευξης με εξιτόνια συσχετισμένα με σπιν
Στη νέα εργασία, οι ερευνητές με επικεφαλής Vinod Menon μελέτησε ένα υλικό με χημικό τύπο NiPS3. Αυτό το υλικό ανήκει σε μια χημική οικογένεια γνωστή ως θειοφωσφορικά άλατα μετάλλων μετάπτωσης και οι φυσικοί της συμπυκνωμένης ύλης το γνωρίζουν ως μαγνητικό μονωτικό van der Waals (vdW) – δηλαδή ένα δισδιάστατο υλικό που περιέχει ισχυρά συσχετισμένα σωματίδια που δημιουργούν μια ποικιλία ηλεκτρονικών και μαγνητικών φάσεων.
Όταν οι ερευνητές τοποθέτησαν μια στοίβα εξαιρετικά λεπτών NiPS3 στρώματα μέσα σε μια οπτική μικροκοιλότητα, παρατήρησαν μια ισχυρή σύζευξη μεταξύ εξιτονίων που συσχετίζονται με σπιν (οιονεί σωματίδια κατασκευασμένα από ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών) στο υλικό και φωτονίων παγιδευμένα μεταξύ των κατόπτρων της κοιλότητας. Αυτή η σύζευξη φωτονίου-εξιτονίου οδήγησε σε έναν προηγουμένως απαρατήρητο τύπο οιονεί σωματιδίου γνωστό ως εξιτόνιο-πολαριτόνιο που έχει ιδιότητες εξιτονίων, φωτονίων και σπιν.
Μέρος φως, μέρος ύλη
Καθώς αυτά τα νέα οιονεί σωματίδια είναι, στην πραγματικότητα, «μερικό φως», συμπεριφέρονται σαν φωτόνια από πολλές απόψεις, λέει Φλόριαν Ντίρνμπεργκερ, ο οποίος είναι ο κύριος συγγραφέας μιας εργασίας στο Φύση Νανοτεχνολογία στο έργο. «Το μέρος της ύλης τους, ωστόσο, πηγάζει από ένα μαγνητικό υλικό, επομένως οι ιδιότητές του συνδέονται στενά με την αντισιδηρομαγνητική τάξη του υλικού», προσθέτει. «Αυτό προκαλεί ισχυρή γραμμική πόλωση».
Το ανώμαλο φαινόμενο Josephson εμφανίζεται σε έναν τοπολογικό μονωτή
Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτή η προσέγγιση της διασύνδεσης του φωτός με τα μαγνητικά υλικά είναι μια πολλά υποσχόμενη διαδρομή προς αποτελεσματικά μαγνητο-οπτικά εφέ που θα μπορούσαν να έχουν εφαρμογές στα λέιζερ και στην ψηφιακή αποθήκευση δεδομένων. Επιπλέον, η νέα κατηγορία μαγνητικών οιονεί σωματιδίων θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για κβαντική μεταγωγή μέσω αλληλεπιδράσεων μεταξύ magnons χαμηλής συχνότητας (συλλογικές ταλαντώσεις των μαγνητικών ροπών σπιν ενός υλικού), εξιτονίων υψηλής συχνότητας και ορατού φωτός.
Μέλη της ομάδας λένε ότι τώρα σχεδιάζουν να επεκτείνουν τη μελέτη τους σε μια προσπάθεια να κατανοήσουν καλύτερα τον ρόλο του κβαντικού ηλεκτροδυναμικού κενού όταν τα κβαντικά υλικά τοποθετούνται σε οπτικές κοιλότητες. Ελπίζουν να πραγματοποιήσουν νέες κβαντικές φάσεις της ύλης που δεν έχουν αντίστοιχο στο κλασικό καθεστώς (θερμοδυναμικής ισορροπίας).
