Phân cực Exciton tăng cường phản ứng quang từ trong tinh thể van der Waals – Vật Lý Thế Giới

Phân cực Exciton tăng cường phản ứng quang từ trong tinh thể van der Waals – Vật Lý Thế Giới

Dấu thời gian: Ngày 2 tháng 2023 năm 9 59:XNUMX AM

Minh họa Exciton-Polariton
Nó xảy ra như thế nào: minh họa một hộp cộng hưởng không gương CrSBr phản sắt từ cho phép hình thành các phân cực-exciton. (Được phép: Florian Dirnberger/Trường Cao đẳng Thành phố New York)

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã chỉ ra rằng các giả hạt vật chất nhẹ lai có thể tăng cường hiệu ứng quang từ trong các tinh thể phân lớp. Nghiên cứu này có ý nghĩa mạnh mẽ đối với sự phát triển của các thiết bị quang từ, chẳng hạn như cảm biến và thiết bị chụp ảnh, cho phép xác định và lập bản đồ trực tiếp các miền từ tính trong vật liệu. Nghiên cứu này còn có thể dẫn đến việc tạo ra các thiết bị chuyển mạch tốc độ cao và các thiết bị bộ nhớ từ tính được điều khiển hoàn toàn bằng quang học.

Các giả hạt trong nghiên cứu này là các phân cực exiton, là các trạng thái vật chất ánh sáng lai có thể xảy ra trong một khoang quang nơi có sự tương tác đủ giữa chế độ photon khoang và các cặp electron-lỗ trống liên kết: các exiton. Hệ thống như vậy được mô tả là “liên kết chặt chẽ” và các phân cực sở hữu các tính chất đặc trưng của cả ánh sáng và vật chất. Do khối lượng hiệu dụng thấp và thời gian tồn tại ngắn (tính chất quang tử) và khả năng tương tác mạnh (tính chất kích thích), phân cực rất được quan tâm đối với một loạt ứng dụng công nghệ tốc độ cao, tổn thất thấp, chẳng hạn như cảm biến ánh sáng yếu, thiết bị logic và truyền thông lượng tử.

Người ta cũng tập trung đáng kể vào việc phát triển các thiết bị quang từ, cho phép điều khiển ánh sáng bằng cách sử dụng từ trường ứng dụng. Cần có sự hiểu biết toàn diện về sự tương tác giữa các hạt kích thích và từ trường để tạo ra các thiết bị như vậy. Để nghiên cứu những tương tác này, cần phải có vật liệu có phản ứng quang từ mạnh. Loại vật liệu như vậy trước đây rất khó tìm, nhưng các tinh thể từ tính van der Waals (vdW) gần đây đã được chứng minh là rất hứa hẹn.

Trong nghiên cứu mới nhất này, các nhà khoa học tại Đại học Thành phố New York và Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Tiên tiến CUNY ở Mỹ phối hợp với một nhóm quốc tế đã chỉ ra rằng sự hiện diện của các phân cực kích thích có thể tăng cường hơn nữa phản ứng quang từ trong các vật liệu này. . Nghiên cứu của họ được mô tả trong một bài báo ở Thiên nhiên.

Kích thích điều khiển từ tính

Các tinh thể vdW được sử dụng trong nghiên cứu này là crom sunfua bromua (CrSBr), bao gồm các lớp CrSBr gần như 2D được liên kết với nhau bằng lực van der Waals yếu. Ở nhiệt độ thấp, vật liệu ở trạng thái phản sắt từ trong đó spin electron của các lớp liền kề được sắp xếp ngược chiều nhau. Tuy nhiên, có thể chuyển các tinh thể sang trạng thái sắt từ (tất cả các spin được căn chỉnh) bằng cách tác dụng một từ trường vừa phải. Trong khi quá trình chuyển đổi này thường dẫn đến hiệu ứng quang từ làm thay đổi độ phân cực hoặc cường độ của ánh sáng (hiệu ứng mà hầu hết các thiết bị quang từ hiện tại đều dựa vào), thì ở CrSBr đó là năng lượng exiton – và do đó là quang phổ của vật liệu – đó là bị thay đổi.

Trong nghiên cứu này, Florian Dirnberger, Jiamin Quan và các đồng nghiệp đã nghiên cứu hai loại sâu răng CrSBr. Cái đầu tiên giống như một khoang quang học truyền thống trong đó các gương phản chiếu cao bên ngoài được đặt ở hai bên của tinh thể CrSBr. Phương pháp thứ hai dựa vào độ tương phản điện môi mạnh giữa tinh thể và môi trường của nó để giam giữ chế độ photon khoang bên trong, tạo thành khoang “không gương”. Do cường độ dao động exciton cực lớn của tinh thể CrSBr, người ta đã quan sát thấy sự kết hợp mạnh mẽ giữa mode photon và các exiton từ – và do đó có sự hiện diện của các phân cực exciton –.

Tăng cường băng thông

Bằng cách tác dụng một từ trường bên ngoài lên các tinh thể, các nhà nghiên cứu có thể giảm góc giữa các spin sắp xếp trái dấu. Điều này dẫn đến sự giảm năng lượng của exiton và chuyển các tinh thể từ trạng thái phản sắt từ sang trạng thái sắt từ. Sự thay đổi năng lượng này đã làm thay đổi phần exciton-photon tương đối của các phân cực, làm dịch chuyển mức năng lượng của chúng và làm thay đổi phổ phản xạ đo được.

Trong tinh thể CrSBr liên kết yếu (không có gương bên ngoài), phản ứng quang từ sẽ chỉ xảy ra xung quanh năng lượng exciton. Tuy nhiên, trong hệ thống được ghép nối mạnh mẽ này, các trạng thái phân cực tồn tại thấp hơn nhiều so với khoảng cách dải tần, làm cho băng thông của phản ứng quang từ tăng lên đáng kể.

Các nhà nghiên cứu cũng nghiên cứu ảnh hưởng của magnon lên hệ thống. Đây là những dao động lượng tử hóa trong góc giữa các spin sắp xếp trái dấu cũng làm thay đổi năng lượng của exciton. Sử dụng các xung laser siêu ngắn để tạo ra các nam châm kết hợp, họ quan sát thấy phổ phản xạ hộp biểu hiện các dao động có tần số khớp với tần số của các nam châm kết hợp trong CrSBr. Mặc dù hiệu ứng này xảy ra ở cả hai khoang, nhưng nó được tăng cường đáng kể trong mẫu có gương bên ngoài do độ rộng đường truyền của các phân cực giảm.

Sự mạch lạc không phải lúc nào cũng cần thiết

Đáng ngạc nhiên là các nhà nghiên cứu cũng quan sát thấy các nam châm không mạch lạc, được tạo ra bằng nhiệt, có thể tạo ra phản ứng quang từ rõ rệt. Cho đến nghiên cứu này, người ta vẫn cho rằng sự mạch lạc là cần thiết để đạt được hiệu quả như vậy. Sử dụng mô hình lý thuyết, các nhà nghiên cứu hiện đã chỉ ra rằng, dưới một nhiệt độ nhất định, sự phụ thuộc vào nhiệt độ của các exiton trong CrSBr chủ yếu bị ảnh hưởng bởi quần thể các nam châm không kết hợp. Điều này cho thấy quang phổ quang học của các phân cực trong một hệ thống như vậy có thể được sử dụng như một phương pháp mới để nghiên cứu các nam châm không kết hợp trong tinh thể từ tính.

Trong nghiên cứu của mình, đội nghiên cứu đã chỉ ra rằng bằng cách sử dụng sự biến đổi mức năng lượng trong một hệ thống do các phân cực kích thích, có thể tăng cường cường độ và băng thông quang phổ của phản ứng quang từ trong tinh thể vdW từ tính. Điều này đã chứng tỏ khả năng điều chỉnh của các phản ứng như vậy rất hứa hẹn cho sự phát triển và nghiên cứu các công tắc, cảm biến quang từ mới, v.v.

Dirnberger, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, giải thích: “Dựa vào sự tương tác mạnh mẽ của từ tính và ánh sáng quan sát được trong nghiên cứu của chúng tôi”. Thiên nhiên giấy. “Có thể một ngày nào đó laser từ tính và các thiết bị bộ nhớ từ tính được điều khiển hoàn toàn bằng quang học có thể cách mạng hóa công nghệ quang từ.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý