Новая квазичастица, которая наполовину состоит из материи, наполовину из света, появилась в ходе экспериментов исследователей из Городского колледжа Нью-Йорка, США, которые наблюдали ее, соединяя свет со стопкой ультратонких двумерных антиферромагнетиков. Работа может иметь последствия для таких устройств, как лазеры или для хранения цифровых данных.
Сильная связь света с материей — это хорошо известный способ инженерных свойств, таких как магнетизм, сверхпроводимость и ферроэлектричество в квантовых материалах. Один из способов сделать это — установить взаимодействие между элементарными частицами и оптическими микрополостями, представляющими собой структуры, в которых свет отражается туда-сюда между двумя или более зеркалами.
Сильно связанные фотоны со спин-коррелированными экситонами
В новой работе исследователи под руководством Винод Менон изучал материал с химической формулой NiPS3. Этот материал принадлежит к химическому семейству, известному как тиофосфаты переходных металлов, и физикам конденсированных сред известен как магнитный изолятор Ван-дер-Ваальса (ВДВ), то есть двумерный материал, содержащий сильно коррелированные частицы, которые создают множество электронной и магнитной фаз.
Когда исследователи разместили стопку ультратонких NiPS3 слоев внутри оптического микрорезонатора они наблюдали сильную связь между спин-коррелированными экситонами (квазичастицами, состоящими из электронно-дырочных пар) в материале и фотонами, захваченными между зеркалами резонатора. Эта фотонно-экситонная связь привела к появлению ранее ненаблюдавшегося типа квазичастиц, известных как экситон-поляритон, которые обладают свойствами экситонов, фотонов и спинов.
Часть света, часть материи
Поскольку эти новые квазичастицы, по сути, являются «частичным светом», они во многих отношениях ведут себя как фотоны. Флориан Дирнбергер, который является ведущим автором статьи в Природа Нанотехнология на работе. «Однако их материальная часть происходит из магнитного материала, поэтому его свойства сильно связаны с антиферромагнитным порядком материала», — добавляет он. «Это приводит к сильной линейной поляризации».
Аномальный эффект Джозефсона проявляется в топологическом изоляторе
По словам исследователей, этот подход взаимодействия света с магнитными материалами является многообещающим путем к эффективным магнитооптическим эффектам, которые могут найти применение в лазерах и для хранения цифровых данных. Более того, новый класс магнитных квазичастиц может быть использован для квантовой трансдукции посредством взаимодействия низкочастотных магнонов (коллективных колебаний спиновых магнитных моментов материала), высокочастотных экситонов и видимого света.
Члены команды говорят, что теперь они планируют расширить свое исследование, пытаясь лучше понять роль квантового электродинамического вакуума, когда квантовые материалы помещаются в оптические полости. Они надеются реализовать новые квантовые фазы материи, не имеющие аналога в классическом (термодинамическом равновесии) режиме.
