Eksciton-polaritoni povečajo magnetno-optične odzive v van der Waalsovih kristalih - Physics World

Mednarodna skupina raziskovalcev je pokazala, da lahko hibridni kvazidelci svetlobe in snovi povečajo magnetno-optične učinke v večplastnih kristalih. Ta raziskava ima močne posledice za razvoj magnetnooptičnih naprav, kot so senzorji in slikovne naprave, ki omogočajo neposredno določanje in preslikavo magnetnih domen v materialih. Raziskava bi lahko privedla tudi do ustvarjanja hitrih stikal in popolnoma optično nadzorovanih magnetnih pomnilniških naprav.

Kvazidelci v tej študiji so bili eksciton-polaritoni, ki so hibridna stanja svetlobe in snovi, ki se lahko pojavijo v optični votlini, kjer obstaja zadostna interakcija med fotonskim načinom votline in vezanimi pari elektron-luknja: ekscitoni. Takšen sistem je opisan kot "močno povezan" in polaritoni imajo značilne lastnosti tako svetlobe kot snovi. Zaradi svoje nizke efektivne mase in kratke življenjske dobe (fotonske lastnosti) ter močne sposobnosti interakcije (ekscitonske lastnosti) so polaritoni zelo zanimivi za vrsto hitrih tehnoloških aplikacij z majhnimi izgubami, kot so senzorji pri šibki svetlobi, logične naprave in kvantne komunikacije.

Pomemben poudarek je bil tudi na razvoju magnetno-optičnih naprav, ki omogočajo manipuliranje s svetlobo z uporabo uporabljenih magnetnih polj. Za ustvarjanje takih naprav je potrebno celovito razumevanje interakcije med ekscitoni in magnetnimi polji. Za preučevanje teh interakcij je treba imeti material z močnim magnetnooptičnim odzivom. Takšen material je bilo težko najti, vendar se je nedavno pokazalo, da so magnetni van der Waalsovi (vdW) kristali zelo obetavni.

V tej najnovejši raziskavi so znanstveniki na City College of New York in Advanced Science Research Center CUNY v ZDA v sodelovanju z mednarodno ekipo pokazali, da lahko prisotnost eksciton-polaritonov dodatno poveča magnetooptični odziv v teh materialih. . Njihova študija je opisana v članku v Narava.

Magnetno nadzorovani ekscitoni

Kristali vdW, uporabljeni v tej študiji, so bili kromov sulfid bromid (CrSBr), ki je sestavljen iz kvazi-2D plasti CrSBr, ki jih skupaj držijo šibke van der Waalsove sile. Pri nizkih temperaturah je material v antiferomagnetnem stanju, v katerem so vrtljaji elektronov sosednjih plasti nasprotno poravnani. Vendar pa je možno preklopiti kristale v feromagnetno stanje (vsi spini so poravnani) z uporabo zmernega magnetnega polja. Medtem ko ta prehod pogosto povzroči magnetnooptični učinek, ki spremeni polarizacijo ali intenzivnost svetlobe (učinki, na katere temelji večina obstoječih magnetnooptičnih naprav), je v CrSBr energija ekscitona – in s tem optični spekter materiala – tista, ki spremenjen.

V tej študiji so Florian Dirnberger, Jiamin Quan in sodelavci proučevali dve vrsti votlin CrSBr. Prvi je bil podoben tradicionalni optični votlini, v kateri so bila na obeh straneh kristala CrSBr odložena zunanja zrcala z visoko refleksijo. Drugi je temeljil na močnem dielektričnem kontrastu med kristalom in njegovim okoljem, da bi znotraj omejil fotonski način votline in oblikoval votlino "brez zrcala". Zaradi izredno velike moči ekscitonskega oscilatorja kristalov CrSBr so opazili močno sklopitev med fotonskim načinom in magnetnimi ekscitoni - in s tem prisotnost eksciton-polaritonov.

Povečanje pasovne širine

Z uporabo zunanjega magnetnega polja na kristale so raziskovalci lahko zmanjšali kot med nasprotno poravnanimi vrtljaji. To je povzročilo zmanjšanje energije ekscitona in preklop kristalov iz antiferomagnetnega v feromagnetno stanje. Ta sprememba energije je spremenila relativno ekscitonsko-fotonsko frakcijo polaritonov, premaknila njihove energijske nivoje in spremenila izmerjeni spekter odbojnosti.

V šibko sklopljenem kristalu CrSBr (brez zunanjih ogledal) bi se magnetno-optični odziv pojavil le okoli energije ekscitona. V tem močno sklopljenem sistemu pa polaritonska stanja obstajajo daleč pod vrzeljo v pasu, kar daje znatno povečano pasovno širino magnetno-optičnega odziva.

Raziskovalci so raziskovali tudi učinek magnonov na sistem. To so kvantizirana nihanja v kotu med nasprotno poravnanimi vrtljaji, ki prav tako spreminjajo energijo ekscitona. Z uporabo ultrakratkih laserskih impulzov za ustvarjanje koherentnih magnonov so opazili, da spekter odbojnosti votline kaže nihanja s frekvenco, ki se ujema s frekvenco koherentnih magnonov v CrSBr. Medtem ko se ta učinek pojavi v obeh votlinah, je močno povečan v vzorcu z zunanjimi ogledali zaradi zmanjšane širine črte polaritonov.

Usklajenost ni vedno potrebna

Presenetljivo so raziskovalci opazili tudi, da lahko nekoherentni magnoni, ki nastanejo toplotno, povzročijo izrazit magnetno-optični odziv. Do te študije je veljalo, da je za tak učinek potrebna skladnost. Z uporabo teoretičnega modeliranja so raziskovalci zdaj pokazali, da pod določeno temperaturo na temperaturno odvisnost ekscitonov v CrSBr vpliva predvsem populacija nekoherentnih magnonov. To kaže, da lahko optično spektroskopijo polaritonov v takem sistemu uporabimo kot novo metodo za preučevanje nekoherentnih magnonov v magnetnih kristalih.

Eksciton-polaritoni povečajo magnetooptične odzive v van der Waalsovih kristalih

V svoji študiji je ekipa pokazala, da je z uporabo modifikacije energijskih nivojev v sistemu zaradi ekscitonskih polaritonov mogoče povečati moč in spektralno pasovno širino magnetnooptičnih odzivov v magnetnem kristalu vdW. Ta dokazana nastavljivost takih odzivov je zelo obetavna za razvoj in preučevanje novih magnetno-optičnih stikal, senzorjev in več.

"Glede na močne interakcije magnetizma in svetlobe, opažene v naši študiji," pojasnjuje Dirnberger, ki je prvi avtor Narava papir. "Možno je, da bodo nekega dne magnetni laserji in popolnoma optično nadzorovane magnetne pomnilniške naprave revolucionirali magnetno-optično tehnologijo."

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• ChartPrime. Izboljšajte svojo igro trgovanja s ChartPrime. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/exciton-polaritons-enhance-magneto-optical-responses-in-van-der-waals-crystals/