Uma nova quasipartícula que é parte matéria e parte luz surgiu em experiências realizadas por investigadores do City College de Nova Iorque, EUA, que a observaram acoplando a luz a uma pilha de antiferromagnetos bidimensionais ultrafinos. O trabalho pode ter implicações para dispositivos como lasers ou para armazenamento digital de dados.
Acoplar fortemente a luz à matéria é uma forma bem conhecida de projetar propriedades como magnetismo, supercondutividade e ferroeletricidade em materiais quânticos. Uma maneira de fazer isso é estabelecer interações entre partículas elementares e microcavidades ópticas, que são estruturas nas quais a luz é refletida para frente e para trás entre dois ou mais espelhos.
Acoplamento fortemente fótons com excitons correlacionados com spin
No novo trabalho, pesquisadores liderados por Vinod Menon estudou um material com a fórmula química NiPS3. Este material pertence a uma família química conhecida como tiofosfatos de metais de transição, e os físicos da matéria condensada o conhecem como um isolante magnético de van der Waals (vdW) – isto é, um material bidimensional contendo partículas fortemente correlacionadas que dão origem a uma variedade de fases eletrônicas e magnéticas.
Quando os pesquisadores colocaram uma pilha de NiPS ultrafinos3 camadas dentro de uma microcavidade óptica, eles observaram um forte acoplamento entre excitons correlacionados por spin (quasipartículas feitas de pares elétron-buraco) no material e fótons presos entre os espelhos da cavidade. Este acoplamento fóton-exciton deu origem a um tipo de quasipartícula anteriormente não observada, conhecida como exciton-polariton, que possui propriedades de excitons, fótons e spins.
Parte luz, parte matéria
Como estas novas quasipartículas são, na verdade, “parte luz”, elas se comportam como fótons em muitos aspectos, diz Florian Dirnberger, que é o autor principal de um artigo em Nature Nanotechnology no trabalho. “Sua parte matéria, porém, provém de um material magnético, portanto suas propriedades estão fortemente ligadas à ordem antiferromagnética do material”, acrescenta. “Isso dá origem a uma forte polarização linear.”
O efeito Josephson anômalo aparece em um isolador topológico
Segundo os pesquisadores, esta abordagem de interface da luz com materiais magnéticos é um caminho promissor para efeitos magneto-ópticos eficientes que poderiam ter aplicações em lasers e no armazenamento digital de dados. Além disso, a nova classe de quasipartículas magnéticas poderia ser usada para transdução quântica através de interações entre magnons de baixa frequência (oscilações coletivas dos momentos magnéticos de spin de um material), excitons de alta frequência e luz visível.
Os membros da equipe dizem que agora planejam estender seu estudo na tentativa de compreender melhor o papel do vácuo eletrodinâmico quântico quando materiais quânticos são colocados em cavidades ópticas. Eles esperam realizar novas fases quânticas da matéria que não têm contrapartida no regime clássico (equilíbrio termodinâmico).
