Нова квазічастинка, яка є частково матерією, частково світлом, з’явилася в експериментах дослідників з Сіті-коледжу Нью-Йорка, США, які спостерігали за нею, сполучаючи світло зі стопкою надтонких двовимірних антиферомагнетиків. Робота може мати наслідки для таких пристроїв, як лазери, або для зберігання цифрових даних.
Сильне зв’язування світла з матерією є добре відомим способом розробки таких властивостей, як магнетизм, надпровідність і сегнетоелектрика в квантових матеріалах. Один із способів зробити це — налагодити взаємодію між елементарними частинками та оптичними мікропорожнинами, які є структурами, в яких світло відбивається вперед і назад між двома або більше дзеркалами.
Сильний зв'язок фотонів зі спін-корельованими екситонами
У новій роботі дослідники під керівництвом Вінод Менон вивчали матеріал з хімічною формулою NiPS3. Цей матеріал належить до хімічної групи, відомої як тіофосфати перехідних металів, а фізики конденсованих середовищ знають його як магнітний ізолятор Ван-дер-Ваальса (vdW), тобто двовимірний матеріал, що містить сильно корельовані частинки, які створюють різноманіття електронної та магнітної фаз.
Коли дослідники розмістили стопку ультратонких NiPS3 шарів всередині оптичної мікропорожнини, вони спостерігали сильний зв’язок між спін-корельованими екситонами (квазічастинками, що складаються з пар електронів і дірок) у матеріалі та фотонами, захопленими між дзеркалами порожнини. Цей зв’язок фотон-екситон породив раніше неспостережуваний тип квазічастинок, відомий як екситон-поляритон, який має властивості екситонів, фотонів і спінів.
Частково світло, частково матерія
Оскільки ці нові квазічастинки є, по суті, «частково світлом», вони багато в чому поводяться як фотони, каже Флоріан Дірнбергер, який є провідним автором статті в Природа нанотехнології на роботі. «Однак їх речовинна частина походить від магнітного матеріалу, тому його властивості тісно пов’язані з антиферомагнітним порядком матеріалу», – додає він. «Це призводить до сильної лінійної поляризації».
У топологічному ізоляторі виникає аномальний ефект Джозефсона
На думку дослідників, цей підхід взаємодії світла з магнітними матеріалами є багатообіцяючим шляхом до ефективних магнітооптичних ефектів, які можуть мати застосування в лазерах і в цифровому сховищі даних. Більше того, новий клас магнітних квазічастинок можна використовувати для квантової трансдукції через взаємодії між низькочастотними магнонами (колективними коливаннями спінових магнітних моментів матеріалу), високочастотними екситонами та видимим світлом.
Члени команди кажуть, що тепер вони планують розширити своє дослідження, намагаючись краще зрозуміти роль квантового електродинамічного вакууму, коли квантові матеріали поміщаються в оптичні порожнини. Вони сподіваються реалізувати нові квантові фази матерії, які не мають відповідників у класичному режимі (термодинамічної рівноваги).
