Eksiton-polaritonid suurendavad magneto-optilisi reaktsioone van der Waalsi kristallides – füüsikamaailm

Rahvusvaheline teadlaste meeskond on näidanud, et hübriidsed valgusaine kvaasiosakesed võivad kihiliste kristallide magnetooptilisi efekte suurendada. Sellel uurimistööl on tugev mõju magnetooptiliste seadmete, nagu andurid ja pildistamisseadmed, väljatöötamisele, mis võimaldavad materjalide magnetdomeenide otsest määramist ja kaardistamist. Uurimistöö võib viia ka kiirete lülitite ja täielikult optiliselt juhitavate magnetmäluseadmete loomiseni.

Selles uuringus olid kvaasiosakesed eksiton-polaritonid, mis on valguse hübriidsed olekud, mis võivad tekkida optilises õõnes, kus õõnsuse footoni režiimi ja seotud elektron-augu paaride vahel on piisav interaktsioon: eksitonid. Selliseid süsteeme kirjeldatakse kui "tugevalt seotud" ja polaritonitel on nii valgusele kui ka ainele iseloomulikud omadused. Tänu oma väikesele efektiivsele massile ja lühikesele elueale (fotoonilised omadused) ja nende tugevale interaktsioonivõimele (eksitoonilised omadused) pakuvad polaritonid suurt huvi paljude kiirete ja väikese kadudega tehnoloogiliste rakenduste jaoks, nagu vähese valguse andurid, loogikaseadmed ja kvantside.

Samuti on tähelepanu pööratud magnetoptiliste seadmete arendamisele, mis võimaldavad valgust manipuleerida rakendatud magnetväljade abil. Selliste seadmete loomiseks on vaja igakülgset arusaamist eksitonite ja magnetväljade vastastikusest mõjust. Nende interaktsioonide uurimiseks on vaja tugeva magneto-optilise reaktsiooniga materjali. Sellist materjali oli raske leida, kuid magnetilised van der Waalsi (vdW) kristallid on hiljuti osutunud väga paljulubavaks.

Selles viimases uuringus on New Yorgi linnakolledži ja USA CUNY arenenud teadusuuringute keskuse teadlased koostöös rahvusvahelise meeskonnaga näidanud, et eksiton-polaritoonide olemasolu võib nende materjalide magneto-optilist vastust veelgi suurendada. . Nende uuringut kirjeldatakse artiklis aastal loodus.

Magnetiga juhitavad eksitonid

Selles uuringus kasutatud vdW kristallid olid kroomsulfiidbromiid (CrSBr), mis koosneb kvaasi-2D CrSBr kihtidest, mida hoiavad koos nõrgad van der Waalsi jõud. Madalatel temperatuuridel on materjal antiferromagnetilises olekus, milles külgnevate kihtide elektronide spinnid on vastassuunas joondatud. Küll aga on võimalik mõõdukat magnetvälja rakendades viia kristallid ferromagnetilisse olekusse (kõik spinnid on joondatud). Kui selle ülemineku tulemuseks on sageli magnetooptiline efekt, mis muudab valguse polarisatsiooni või intensiivsust (efektid, millele enamik olemasolevaid magnetooptilisi seadmeid tuginevad), siis CrSBr puhul on see eksitoni energia – ja seega ka materjalide optiline spekter – muudetud.

Selles uuringus uurisid Florian Dirnberger, Jiamin Quan ja tema kolleegid kahte tüüpi CrSBr õõnsusi. Esimene meenutas traditsioonilist optilist õõnsust, milles välised, tugevalt peegelduvad peeglid olid asetatud mõlemale poole CrSBr kristalli. Teine toetus kristalli ja selle keskkonna vahelisele tugevale dielektrilisele kontrastile, et piirata õõnsuse footoni režiimi, moodustades "peeglita" õõnsuse. CrSBr kristallide ülisuure eksitoni ostsillaatori tugevuse tõttu täheldati tugevat sidet footonrežiimi ja magnetiliste eksitonite vahel ning seega ka eksiton-polaritonide olemasolu.

Ribalaiuse suurendamine

Rakendades kristallidele välist magnetvälja, suutsid teadlased vähendada nurka vastupidiselt joondatud spinnide vahel. Selle tulemuseks oli eksitoni energia vähenemine ja kristallid lülitati antiferromagnetilisest olekust ferromagnetiliseks. See energiamuutus muutis polaritonide suhtelist eksiton-footoni osa, nihutades nende energiataset ja muutes mõõdetud peegeldusspektrit.

Nõrgalt sidestatud CrSBr kristallis (ilma välispeegliteta) toimuks magnetooptiline reaktsioon ainult eksitoni energia ümber. Selles tugevalt ühendatud süsteemis eksisteerivad polaritoni olekud aga palju allpool ribalaiust, mis annab magneto-optilise vastuse märkimisväärselt suurema ribalaiuse.

Teadlased uurisid ka magnoonide mõju süsteemile. Need on kvantiseeritud võnkumised vastassuunas paiknevate spinnide vahelises nurgas, mis muudavad ka eksitoni energiat. Kasutades ultralühikesi laserimpulsse koherentsete magnonite genereerimiseks, täheldasid nad, et õõnsuse peegelduvuse spekter näitas võnkumisi sagedusega, mis ühtib CrSBr koherentsete magnonite sagedusega. Kuigi see efekt ilmneb mõlemas õõnsuses, paraneb see välispeeglitega proovis polaritonide väiksema joonelaiuse tõttu oluliselt.

Sidusus pole alati vajalik

Üllataval kombel täheldasid teadlased ka seda, et termiliselt genereeritud ebajärjekindlad magnonid võivad tekitada väljendunud magneto-optilise vastuse. Kuni selle uuringuni arvati, et sellise efekti saavutamiseks on vajalik sidusus. Teoreetilist modelleerimist kasutades on teadlased nüüd näidanud, et alla teatud temperatuuri mõjutab CrSBr eksitonite temperatuurisõltuvus peamiselt ebajärjekindlate magnonite populatsioon. See näitab, et polaritonide optilist spektroskoopiat sellises süsteemis saab kasutada uudse meetodina magnetkristallides olevate mittekoherentsete magnonite uurimiseks.

Eksiton-polaritonid suurendavad van der Waalsi kristallides magneto-optilisi reaktsioone

Oma uuringus on meeskond näidanud, et eksiton-polaritonide tõttu süsteemi energiatasemete muutmise abil on võimalik magnetilise vdW kristalli magnetooptiliste reaktsioonide tugevust ja spektririba laiust suurendada. See selliste vastuste näidatud häälestatavus on väga paljutõotav uute magneto-optiliste lülitite, andurite ja muu väljatöötamiseks ja uurimiseks.

"Arvestades meie uuringus täheldatud magnetismi ja valguse tugevat vastasmõju, " selgitab Dirnberger, kes on selle uuringu esimene autor. loodus paber. "Võimalik, et ühel päeval võivad magnetlaserid ja täielikult optiliselt juhitavad magnetmäluseadmed magnetoptilist tehnoloogiat revolutsiooniliselt muuta."

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Autod/elektrisõidukid, Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• ChartPrime. Tõsta oma kauplemismängu ChartPrime'iga kõrgemale. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/exciton-polaritons-enhance-magneto-optical-responses-in-van-der-waals-crystals/