Una nuova quasiparticella che è in parte materia, in parte luce è emersa negli esperimenti dei ricercatori del City College di New York, negli Stati Uniti, che l'hanno osservata accoppiando la luce a una pila di antiferromagneti bidimensionali ultrasottili. Il lavoro potrebbe avere implicazioni per dispositivi come i laser o per l'archiviazione di dati digitali.
L'accoppiamento forte della luce alla materia è un modo ben noto di ingegnerizzare proprietà come il magnetismo, la superconduttività e la ferroelettricità nei materiali quantistici. Un modo per farlo è instaurare interazioni tra particelle elementari e microcavità ottiche, che sono strutture in cui la luce viene riflessa avanti e indietro tra due o più specchi.
Fotoni fortemente accoppiati con eccitoni correlati allo spin
Nel nuovo lavoro, i ricercatori guidati da Vinod Menón ha studiato un materiale con la formula chimica NiPS3. Questo materiale appartiene a una famiglia chimica nota come tiofosfati dei metalli di transizione e i fisici della materia condensata lo conoscono come un isolante magnetico di van der Waals (vdW), ovvero un materiale bidimensionale contenente particelle fortemente correlate che danno origine a una varietà di fasi elettroniche e magnetiche.
Quando i ricercatori hanno posizionato una pila di NiPS ultrasottili3 strati all'interno di una microcavità ottica, hanno osservato un forte accoppiamento tra eccitoni correlati allo spin (quasiparticelle costituite da coppie elettrone-lacuna) nel materiale e fotoni intrappolati tra gli specchi della cavità. Questo accoppiamento fotone-eccitone ha dato origine a un tipo di quasiparticella precedentemente non osservato noto come eccitone-polaritone che ha proprietà di eccitoni, fotoni e spin.
In parte luce, in parte materia
Poiché queste nuove quasiparticelle sono, in effetti, "luce in parte", si comportano come fotoni per molti aspetti, afferma Florian Dirnberger, che è l'autore principale di un articolo in Natura Nanotecnologia sul lavoro. "La loro parte di materia, tuttavia, deriva da un materiale magnetico, quindi le sue proprietà sono fortemente legate all'ordine antiferromagnetico del materiale", aggiunge. "Questo dà origine a una forte polarizzazione lineare".
L'effetto anomalo Josephson appare in un isolante topologico
Secondo i ricercatori, questo approccio di interfacciamento della luce con materiali magnetici è un percorso promettente verso effetti magneto-ottici efficienti che potrebbero avere applicazioni nei laser e nell'archiviazione di dati digitali. Inoltre, la nuova classe di quasiparticelle magnetiche potrebbe essere utilizzata per la trasduzione quantistica attraverso interazioni tra magnon a bassa frequenza (oscillazioni collettive dei momenti magnetici di spin di un materiale), eccitoni ad alta frequenza e luce visibile.
I membri del team affermano che ora intendono estendere il loro studio nel tentativo di comprendere meglio il ruolo del vuoto elettrodinamico quantistico quando i materiali quantistici vengono collocati in cavità ottiche. Sperano di realizzare nuove fasi quantistiche della materia che non hanno controparti nel regime classico (equilibrio termodinamico).
