En ny kvasipartikel som är delvis materia, delvis ljus har dykt upp i experiment av forskare vid City College i New York, USA, som observerade det genom att koppla ljus till en stapel av ultratunna tvådimensionella antiferromagneter. Arbetet kan få konsekvenser för enheter som lasrar eller för digital datalagring.
Att koppla ljus starkt till materia är ett välkänt sätt att konstruera egenskaper som magnetism, supraledning och ferroelektricitet i kvantmaterial. Ett sätt att göra detta är genom att sätta upp interaktioner mellan elementarpartiklar och optiska mikrokaviteter, som är strukturer där ljus reflekteras fram och tillbaka mellan två eller flera speglar.
Starkt koppling av fotoner med spinn-korrelerade excitoner
I det nya arbetet har forskare under ledning av Vinod Menon studerat ett material med den kemiska formeln NiPS3. Detta material tillhör en kemisk familj som kallas övergångsmetallen tiofosfater, och fysiker av kondenserad materia känner till det som en van der Waals (vdW) magnetisk isolator – det vill säga ett tvådimensionellt material som innehåller starkt korrelerade partiklar som ger upphov till en mängd olika av elektroniska och magnetiska faser.
När forskarna placerade en hög med ultratunna NiPS3 skikt i en optisk mikrokavitet, observerade de en stark koppling mellan spinn-korrelerade excitoner (kvasipartiklar gjorda av elektron-hål-par) i materialet och fotoner fångade mellan kavitetens speglar. Denna foton-excitonkoppling gav upphov till en tidigare oobserverad typ av kvasipartikel känd som en exciton-polariton som har egenskaper hos excitoner, fotoner och spinn.
Dels lätt, dels materia
Eftersom dessa nya kvasipartiklar i själva verket är "delljus", beter de sig som fotoner i många avseenden, säger Florian Dirnberger, som är huvudförfattare till en artikel i Natur nanoteknik på arbetet. "Deras materia del härrör dock från ett magnetiskt material, så dess egenskaper är starkt knutna till materialets antiferromagnetiska ordning", tillägger han. "Detta ger upphov till stark linjär polarisering."
Anomal Josephson-effekt uppträder i en topologisk isolator
Enligt forskarna är det här tillvägagångssättet att gränsa ljus med magnetiska material en lovande väg mot effektiva magneto-optiska effekter som kan ha tillämpningar i lasrar och i digital datalagring. Dessutom kan den nya klassen av magnetiska kvasipartiklar användas för kvantomvandling genom interaktioner mellan lågfrekventa magnoner (kollektiva svängningar av magnetiska spinsmoment hos ett material), högfrekventa excitoner och synligt ljus.
Medlemmar av teamet säger att de nu planerar att utöka sin studie i ett försök att bättre förstå rollen av det kvantelektrodynamiska vakuumet när kvantmaterial placeras i optiska kaviteter. De hoppas kunna realisera nya kvantfaser av materia som inte har någon motsvarighet i den klassiska (termodynamiska jämvikts) regimen.
