En ny kvasipartikkel som er delvis materie, delvis lys, har dukket opp i eksperimenter av forskere ved City College i New York, USA, som observerte det ved å koble lys til en stabel med ultratynne todimensjonale antiferromagneter. Arbeidet kan ha implikasjoner for enheter som lasere eller for digital datalagring.
Å koble lys sterkt til materie er en velkjent måte å konstruere egenskaper som magnetisme, superledning og ferroelektrisitet i kvantematerialer. En måte å gjøre dette på er ved å sette opp interaksjoner mellom elementærpartikler og optiske mikrohulrom, som er strukturer der lys reflekteres frem og tilbake mellom to eller flere speil.
Sterkt kobler fotoner med spinn-korrelerte eksitoner
I det nye arbeidet har forskere ledet av Vinod Menon studerte et materiale med den kjemiske formelen NiPS3. Dette materialet tilhører en kjemisk familie kjent som overgangsmetallet tiofosfater, og fysikere av kondensert stoff kjenner det som en van der Waals (vdW) magnetisk isolator - det vil si et todimensjonalt materiale som inneholder sterkt korrelerte partikler som gir opphav til en rekke av elektroniske og magnetiske faser.
Da forskerne plasserte en stabel med ultratynne NiPS3 lag i et optisk mikrohulrom, observerte de en sterk kobling mellom spinn-korrelerte eksitoner (kvasipartikler laget av elektron-hull-par) i materialet og fotoner fanget mellom hulrommets speil. Denne foton-eksiton-koblingen ga opphav til en tidligere uobservert type kvasipartikkel kjent som en eksiton-polariton som har egenskaper til eksitoner, fotoner og spinn.
Dels lett, dels materie
Siden disse nye kvasipartikler faktisk er "dellys", oppfører de seg som fotoner i mange henseender, sier Florian Dirnberger, som er hovedforfatter av en artikkel i Natur Nanoteknologi på arbeidet. "Materiedelen deres stammer imidlertid fra et magnetisk materiale, så dets egenskaper er sterkt knyttet til den antiferromagnetiske rekkefølgen av materialet," legger han til. "Dette gir opphav til sterk lineær polarisering."
Anomal Josephson-effekt vises i en topologisk isolator
Ifølge forskerne er denne tilnærmingen med å koble lys med magnetiske materialer en lovende vei mot effektive magneto-optiske effekter som kan ha bruk i lasere og digital datalagring. Dessuten kan den nye klassen av magnetiske kvasipartikler brukes til kvantetransduksjon gjennom interaksjoner mellom lavfrekvente magnoner (kollektive oscillasjoner av spinnmagnetiske momenter til et materiale), høyfrekvente eksitoner og synlig lys.
Medlemmer av teamet sier at de nå planlegger å utvide studien i et forsøk på å bedre forstå rollen til det kvanteelektrodynamiske vakuumet når kvantematerialer plasseres i optiske hulrom. De håper å realisere nye kvantefaser av materie som ikke har noen motstykke i det klassiske (termodynamiske likevekts-) regimet.
