Exciton-polaritons ช่วยเพิ่มการตอบสนองของสนามแม่เหล็กในผลึก van der Waals

Exciton-polaritons ช่วยเพิ่มการตอบสนองของสนามแม่เหล็กในผลึก van der Waals

ประทับเวลา: 2 กันยายน 2023 9:59 น.

ภาพประกอบของเอ็กซิตัน-โพลาริตัน
มันเกิดขึ้นได้อย่างไร: ภาพประกอบของช่องไร้กระจก CrSBr ที่เป็นสารต้านเฟอโรแมกเนติก ซึ่งทำให้เกิดการก่อตัวของ exciton–polaritons (เอื้อเฟื้อโดย: Florian Dirnberger/วิทยาลัยเมืองนิวยอร์ก)

ทีมนักวิจัยนานาชาติได้แสดงให้เห็นว่าอนุภาคควอซิพาเคิลของแสงแบบผสมสามารถเพิ่มเอฟเฟกต์แมกนีโตออปติกในผลึกชั้นได้ งานวิจัยนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อการพัฒนาอุปกรณ์แมกนีโตออปติก เช่น เซ็นเซอร์และอุปกรณ์ถ่ายภาพ ซึ่งช่วยให้สามารถกำหนดและทำแผนที่โดเมนแม่เหล็กในวัสดุได้โดยตรง การวิจัยนี้อาจนำไปสู่การสร้างสวิตช์ความเร็วสูงและอุปกรณ์หน่วยความจำแม่เหล็กที่ควบคุมด้วยแสงทั้งหมด

Quasiparticles ในการศึกษานี้คือ exciton–polaritons ซึ่งเป็นสถานะสสารแสงแบบลูกผสมที่สามารถเกิดขึ้นได้ในช่องแสงซึ่งมีปฏิสัมพันธ์ที่เพียงพอระหว่างโหมดโฟตอนของช่องและคู่อิเล็กตรอน–รูที่ถูกผูกไว้: excitons ระบบดังกล่าวถูกอธิบายว่า "เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา" และโพลาริตอนก็มีคุณสมบัติที่เป็นลักษณะเฉพาะของทั้งแสงและสสาร เนื่องจากมวลที่มีประสิทธิภาพต่ำและอายุการใช้งานสั้น (คุณสมบัติโฟโตนิก) และความสามารถที่แข็งแกร่งในการโต้ตอบ (คุณสมบัติ excitonic) โพลาริตอนจึงเป็นที่สนใจอย่างมากสำหรับการใช้งานเทคโนโลยีความเร็วสูงและการสูญเสียต่ำ เช่น เซ็นเซอร์ที่มีแสงน้อย อุปกรณ์ลอจิกและการสื่อสารควอนตัม

นอกจากนี้ยังมีการมุ่งเน้นที่สำคัญในการพัฒนาอุปกรณ์แมกนีโตออปติคอล ซึ่งทำให้แสงถูกจัดการโดยใช้สนามแม่เหล็กที่ใช้ จำเป็นต้องมีความเข้าใจที่ครอบคลุมเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารกระตุ้นและสนามแม่เหล็กเพื่อสร้างอุปกรณ์ดังกล่าว เพื่อศึกษาอันตรกิริยาเหล่านี้ จำเป็นต้องมีวัสดุที่มีการตอบสนองแบบแมกนีโตออปติกที่รุนแรง วัสดุดังกล่าวหาได้ยาก แต่ผลึกแม่เหล็ก van der Waals (vdW) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีแนวโน้มที่ดีเมื่อเร็ว ๆ นี้

ในการวิจัยล่าสุดนี้ นักวิทยาศาสตร์จาก City College of New York และศูนย์วิจัยวิทยาศาสตร์ขั้นสูงของ CUNY ในสหรัฐอเมริกาโดยความร่วมมือกับทีมงานระดับนานาชาติได้แสดงให้เห็นว่าการมี exciton-polaritons สามารถเพิ่มการตอบสนองของสนามแม่เหล็กในวัสดุเหล่านี้ได้มากขึ้น . การศึกษาของพวกเขาอธิบายไว้ในบทความใน ธรรมชาติ.

สิ่งกระตุ้นที่ควบคุมด้วยสนามแม่เหล็ก

ผลึก vdW ที่ใช้ในการศึกษานี้คือโครเมียมซัลไฟด์โบรไมด์ (CrSBr) ซึ่งประกอบด้วยชั้นเสมือน 2 มิติของ CrSBr ที่ยึดเข้าด้วยกันโดยกองกำลัง van der Waals ที่อ่อนแอ ที่อุณหภูมิต่ำ วัสดุจะอยู่ในสถานะต้านแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งการหมุนของอิเล็กตรอนของชั้นที่อยู่ติดกันจะอยู่ในแนวตรงข้ามกัน อย่างไรก็ตาม สามารถเปลี่ยนคริสตัลให้เป็นสถานะเฟอร์โรแมกเนติกได้ (สปินทั้งหมดอยู่ในแนวเดียวกัน) โดยใช้สนามแม่เหล็กระดับปานกลาง แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงนี้มักจะส่งผลให้เกิดเอฟเฟกต์แมกนีโตออปติกที่เปลี่ยนโพลาไรเซชันหรือความเข้มของแสง (เอฟเฟกต์ที่อุปกรณ์แมกนีโตออปติกที่มีอยู่ส่วนใหญ่พึ่งพา) ใน CrSBr มันเป็นพลังงาน exciton - และด้วยเหตุนี้จึงเป็นสเปกตรัมแสงของวัสดุ - นั่นคือ เปลี่ยนแปลง

ในการศึกษานี้ Florian Dirnberger, Jiamin Quan และเพื่อนร่วมงานได้ศึกษาโพรง CrSBr สองประเภท ช่องแรกมีลักษณะคล้ายกับช่องรับแสงแบบดั้งเดิมซึ่งมีกระจกสะท้อนแสงภายนอกสูงติดอยู่ที่ด้านใดด้านหนึ่งของคริสตัล CrSBr ประการที่สองอาศัยความเปรียบต่างไดอิเล็กทริกที่รุนแรงระหว่างคริสตัลกับสภาพแวดล้อมเพื่อจำกัดโหมดโฟตอนของคาวิตี้ไว้ภายใน ก่อตัวเป็นโพรง "ไร้กระจก" เนื่องจากความแข็งแกร่งของ exciton oscillator ที่มีขนาดใหญ่มากของผลึก CrSBr จึงสังเกตเห็นการมีเพศสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างโหมดโฟตอนและ exciton แม่เหล็ก - และด้วยเหตุนี้จึงมีการมีอยู่ของ exciton - โพลาริตอน -

การเพิ่มแบนด์วิธ

ด้วยการใช้สนามแม่เหล็กภายนอกกับคริสตัล นักวิจัยจึงสามารถลดมุมระหว่างการหมุนในแนวตรงข้ามได้ ส่งผลให้พลังงาน exciton ลดลง และเปลี่ยนคริสตัลจากสถานะต้านเหล็กแม่เหล็กไฟฟ้าไปเป็นสถานะเหล็กแม่เหล็ก การเปลี่ยนแปลงพลังงานนี้เปลี่ยนแปลงเศษส่วนของเอ็กไซตอน-โฟตอนสัมพัทธ์ของโพลาริตอน โดยเปลี่ยนระดับพลังงานและปรับเปลี่ยนสเปกตรัมการสะท้อนแสงที่วัดได้

ในคริสตัล CrSBr ที่มีคู่ควบอย่างอ่อน (ไม่มีกระจกมองข้าง) การตอบสนองของแมกนีโตออปติกจะเกิดขึ้นรอบพลังงาน exciton เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในระบบที่มีการควบคู่อย่างแน่นหนานี้ สถานะของโพลาริตอนจะอยู่ต่ำกว่าช่องว่างของแถบความถี่มาก ทำให้มีแบนด์วิธเพิ่มขึ้นอย่างมากในการตอบสนองแบบแม๊กนีโตออปติคัล

นักวิจัยยังได้ตรวจสอบผลกระทบของแมกนอนต่อระบบด้วย สิ่งเหล่านี้คือการแกว่งเชิงปริมาณในมุมระหว่างการหมุนที่อยู่ตรงข้ามซึ่งจะเปลี่ยนพลังงานของ exciton ด้วย การใช้พัลส์เลเซอร์ที่สั้นมากเพื่อสร้างแมกนอนที่ต่อเนื่องกัน พวกเขาสังเกตเห็นว่าสเปกตรัมการสะท้อนแสงของคาวิตี้มีการสั่นด้วยความถี่ที่ตรงกับแมกนอนที่ต่อเนื่องกันใน CrSBr แม้ว่าผลกระทบนี้จะเกิดขึ้นในทั้งสองช่อง แต่จะได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างมากในตัวอย่างที่มีกระจกมองข้างภายนอก เนื่องจากความกว้างของเส้นตรงของโพลาริตอนลดลง

ความสอดคล้องไม่จำเป็นเสมอไป

น่าประหลาดใจที่นักวิจัยยังตั้งข้อสังเกตอีกว่าแมกนอนที่ไม่ต่อเนื่องกันซึ่งถูกสร้างขึ้นด้วยความร้อน สามารถสร้างการตอบสนองทางแสงแบบแม๊กนีโตที่เด่นชัดได้ จนกระทั่งมีการศึกษาครั้งนี้ คิดว่าความสอดคล้องกันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับผลกระทบดังกล่าว นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าภายใต้อุณหภูมิที่กำหนด การพึ่งพาอุณหภูมิของ exciton ใน CrSBr ส่วนใหญ่ได้รับผลกระทบจากประชากรของแมกนอนที่ไม่ต่อเนื่องกันโดยใช้แบบจำลองทางทฤษฎี นี่แสดงให้เห็นว่าสเปกโทรสโกปีเชิงแสงของโพลาริตอนในระบบดังกล่าวสามารถใช้เป็นวิธีการใหม่ในการศึกษาแมกนอนที่ไม่ต่อเนื่องกันในผลึกแม่เหล็กได้

ในการศึกษา ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าการใช้การเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานในระบบเนื่องจาก exciton-polaritons ทำให้สามารถเพิ่มความแข็งแกร่งและแบนด์วิธสเปกตรัมของการตอบสนองของแม๊กนีโตออปติกในคริสตัล vdW แบบแม่เหล็กได้ สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับแต่งการตอบสนองดังกล่าวมีแนวโน้มสูงสำหรับการพัฒนาและการศึกษาสวิตช์แมกนีโตออปติก เซ็นเซอร์ และอื่นๆ อีกมากมาย

“เมื่อพิจารณาจากปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงของแม่เหล็กและแสงที่สังเกตได้ในการศึกษาของเรา” Dirnberger ผู้เขียนคนแรกของ ธรรมชาติ กระดาษ. “เป็นไปได้ว่าวันหนึ่งเลเซอร์แม่เหล็กและอุปกรณ์หน่วยความจำแม่เหล็กที่ควบคุมด้วยแสงทั้งหมดอาจปฏิวัติเทคโนโลยีแมกนีโตออปติก”

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์