Een nieuw quasideeltje dat deels materie, deels licht is, is naar voren gekomen in experimenten door onderzoekers van het City College van New York, VS, die het hebben waargenomen door licht te koppelen aan een stapel ultradunne tweedimensionale antiferromagneten. Het werk kan gevolgen hebben voor apparaten zoals lasers of voor digitale gegevensopslag.
Het sterk koppelen van licht aan materie is een bekende manier om eigenschappen als magnetisme, supergeleiding en ferro-elektriciteit in kwantummaterialen te construeren. Een manier om dit te doen is door interacties op te zetten tussen elementaire deeltjes en optische microholtes, dit zijn structuren waarin licht heen en weer wordt gereflecteerd tussen twee of meer spiegels.
Fotonen sterk koppelen met spin-gecorreleerde excitonen
In het nieuwe werk, onderzoekers onder leiding van Vinod Menon bestudeerde een materiaal met de chemische formule NiPS3. Dit materiaal behoort tot een chemische familie die bekend staat als de overgangsmetaalthiofosfaten, en fysici van de gecondenseerde materie kennen het als een van der Waals (vdW) magnetische isolator - dat wil zeggen, een tweedimensionaal materiaal dat sterk gecorreleerde deeltjes bevat die aanleiding geven tot een verscheidenheid aan van elektronische en magnetische fasen.
Toen de onderzoekers een stapel ultradunne NiPS . plaatsten3 lagen in een optische microholte, observeerden ze een sterke koppeling tussen spin-gecorreleerde excitonen (quasideeltjes gemaakt van elektron-gatparen) in het materiaal en fotonen die gevangen zaten tussen de spiegels van de holte. Deze foton-excitonkoppeling gaf aanleiding tot een voorheen niet-waargenomen type quasideeltje dat bekend staat als een exciton-polariton met eigenschappen van excitonen, fotonen en spins.
Deels licht, deels belangrijk
Omdat deze nieuwe quasideeltjes in feite "deels licht" zijn, gedragen ze zich in veel opzichten als fotonen, zegt Florian Dirnberger, wie is de hoofdauteur van een paper in Natuur Nanotechnologie op het werk. "Hun materiedeel komt echter voort uit een magnetisch materiaal, dus de eigenschappen ervan zijn sterk verbonden met de antiferromagnetische orde van het materiaal", voegt hij eraan toe. “Hierdoor ontstaat een sterke lineaire polarisatie.”
Afwijkend Josephson-effect verschijnt in een topologische isolator
Volgens de onderzoekers is deze benadering van het koppelen van licht met magnetische materialen een veelbelovende weg naar efficiënte magneto-optische effecten die toepassingen kunnen hebben in lasers en in digitale gegevensopslag. Bovendien zou de nieuwe klasse van magnetische quasideeltjes kunnen worden gebruikt voor kwantumtransductie door interacties tussen laagfrequente magnonen (collectieve oscillaties van de magnetische spinmomenten van een materiaal), hoogfrequente excitonen en zichtbaar licht.
Leden van het team zeggen dat ze nu van plan zijn hun onderzoek uit te breiden in een poging om de rol van het kwantumelektrodynamische vacuüm beter te begrijpen wanneer kwantummaterialen in optische holtes worden geplaatst. Ze hopen nieuwe kwantumfasen van materie te realiseren die geen tegenhanger hebben in het klassieke (thermodynamische evenwicht) regime.
