O nouă cvasiparticulă care este parțial materie, parțial lumină a apărut în experimentele efectuate de cercetătorii de la City College din New York, SUA, care au observat-o prin cuplarea luminii la o stivă de antiferomagneți bidimensionali ultrasubțiri. Lucrarea ar putea avea implicații pentru dispozitive precum laserele sau pentru stocarea datelor digitale.
Cuplarea puternică a luminii la materie este o modalitate binecunoscută de a dezvolta proprietăți precum magnetismul, supraconductivitatea și feroelectricitatea în materialele cuantice. O modalitate de a face acest lucru este stabilirea interacțiunilor între particulele elementare și microcavitățile optice, care sunt structuri în care lumina este reflectată înainte și înapoi între două sau mai multe oglinzi.
Cuplarea puternică a fotonilor cu excitoni corelați cu spin
În noua lucrare, cercetătorii conduși de Vinod Menon a studiat un material cu formula chimică NiPS3. Acest material aparține unei familii chimice cunoscute sub denumirea de tiofosfați ai metalelor de tranziție, iar fizicienii materiei condensate îl cunosc ca un izolator magnetic van der Waals (vdW) - adică un material bidimensional care conține particule puternic corelate care dau naștere unei varietăți. a fazelor electronice şi magnetice.
Când cercetătorii au plasat un teanc de NiPS ultrasubțiri3 straturi din interiorul unei microcavități optice, ei au observat o cuplare puternică între excitonii corelați cu spin (cvasiparticule formate din perechi electroni-găuri) din material și fotonii prinși între oglinzile cavității. Această cuplare foton-exciton a dat naștere unui tip de cvasiparticulă neobservat anterior, cunoscut sub numele de exciton-polariton, care are proprietăți de excitoni, fotoni și spini.
Parțial lumină, parțial materie
Deoarece aceste noi cvasiparticule sunt, de fapt, „parțial lumină”, ele se comportă ca niște fotoni în multe privințe, spune Florian Dirnberger, care este autorul principal al unei lucrări în Natură Nanotehnologia asupra lucrării. „Cu toate acestea, partea lor de materie provine dintr-un material magnetic, astfel încât proprietățile sale sunt strâns legate de ordinea antiferomagnetică a materialului”, adaugă el. „Acest lucru dă naștere la o polarizare liniară puternică.”
Efectul Josephson anormal apare într-un izolator topologic
Potrivit cercetătorilor, această abordare de interfață a luminii cu materiale magnetice este o cale promițătoare către efecte magneto-optice eficiente care ar putea avea aplicații în lasere și în stocarea datelor digitale. În plus, noua clasă de cvasiparticule magnetice ar putea fi utilizată pentru transducția cuantică prin interacțiuni între magnonii de joasă frecvență (oscilații colective ale momentelor magnetice de spin ale unui material), excitoni de înaltă frecvență și lumina vizibilă.
Membrii echipei spun că acum plănuiesc să-și extindă studiul în încercarea de a înțelege mai bine rolul vidului electrodinamic cuantic atunci când materialele cuantice sunt plasate în cavitățile optice. Ei speră să realizeze noi faze cuantice ale materiei care nu au o contrapartidă în regimul clasic (echilibru termodinamic).
