Wissenschaftler „sehen“ rotierende Quasiteilchen in einem 2D-Magneten

Von Columbia University, 12. September 2022

Die Paarung zwischen Magnonen und Exzitonen wird es Forschern ermöglichen, Spinrichtungen zu erkennen, ein wichtiger Gesichtspunkt für mehrere Quantenanwendungen. Bildnachweis: Chung-Jui Yu

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass sich drehende Quasiteilchen oder Magnonen leuchten, wenn sie mit einem lichtemittierenden Quasiteilchen oder Exziton gepaart werden, was potenzielle Quanteninformationsanwendungen ermöglicht.

Alle Magnete enthalten rotierende Quasiteilchen, sogenannte Magnonen. Dies gilt für alle Magnete, von den einfachen Souvenirs, die an Ihrem Kühlschrank hängen, über die Scheiben, die Ihrem Computer Speicher bieten, bis hin zu den leistungsstarken Versionen, die in Forschungslabors verwendet werden. Die Richtung, in der sich ein Magnon dreht, kann die seines Nachbarn beeinflussen, was sich wiederum auf den Spin seines Nachbarn auswirkt, und so weiter, was zu sogenannten Spinwellen führt. Spinwellen können möglicherweise Informationen effizienter übertragen als Elektrizität, und Magnonen können als „Quantenverbindungen“ dienen, die Quantenbits zu leistungsstarken Computern „zusammenkleben“.

Although magnons have enormous potential, they are often difficult to detect without bulky pieces of lab equipment. According to Columbia researcher Xiaoyang Zhu, such setups are fine for conducting experiments, but not for developing devices, such as magnonic devices and so-called spintronics. However, seeing magnons can be made much simpler with the right material: a magnetic semiconductor called chromium sulfide bromide (CrSBr) that can be peeled into atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Atomdünne 2D-Schichten, synthetisiert im Labor von Professor Xavier Roy vom Department of Chemistry.

„Zum ersten Mal können wir Magnonen mit einem einfachen optischen Effekt sehen.“ – Xiaoyang Zhu

In a new article published in the journal Nature on September 7, Zhu and collaborators at Columbia, the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">University of Washington, New York UniversityFounded in 1831, New York University (NYU) is a private research university based in New York City." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Die New York University und das Oak Ridge National Laboratory zeigen, dass Magnonen in CrSBr sich mit einem anderen Quasiteilchen namens Exziton paaren können, das Licht aussendet und den Forschern einen Mechanismus bietet, um das rotierende Quasiteilchen zu „sehen“.

Als sie die Magnonen mit Licht störten, beobachteten sie Schwingungen der Exzitonen im nahen Infrarotbereich, der mit bloßem Auge fast sichtbar ist. „Zum ersten Mal können wir Magnonen mit einem einfachen optischen Effekt sehen“, sagte Zhu.

Die Ergebnisse könnten als Quantentransduktion oder die Umwandlung eines „Energiequants“ in ein anderes angesehen werden, sagte der Erstautor Youn Jun (Eunice) Bae, ein Postdoktorand in Zhus Labor. Die Energie von Exzitonen ist vier Größenordnungen größer als die von Magnonen; Da sie sich nun so stark paaren, können wir leicht winzige Veränderungen in den Magnonen beobachten, erklärte Bae. Diese Transduktion könnte es Forschern eines Tages ermöglichen, Quanteninformationsnetzwerke aufzubauen, die Informationen von spinbasierten Quantenbits – die im Allgemeinen nur wenige Millimeter voneinander entfernt sein müssen – aufnehmen und in Licht umwandeln können, eine Energieform, die Informationen nach oben übertragen kann bis zu Hunderten von Kilometern über Glasfaserkabel.

Zhu sagte, dass auch die Kohärenzzeit – wie lange die Schwingungen andauern können – bemerkenswert sei und viel länger als die Fünf-Nanosekunden-Grenze des Experiments dauere. Das Phänomen könnte sich über sieben Mikrometer ausbreiten und selbst dann bestehen bleiben, wenn die CrSBr-Geräte aus nur zwei atomar dünnen Schichten bestehen, was die Möglichkeit eröffnet, spintronische Geräte im Nanomaßstab zu bauen. Diese Geräte könnten eines Tages effizientere Alternativen zur heutigen Elektronik sein. Im Gegensatz zu Elektronen in einem elektrischen Strom, die auf ihrem Weg auf Widerstand stoßen, bewegen sich in einer Spinwelle tatsächlich keine Teilchen.

Von hier aus planen die Wissenschaftler, das Quanteninformationspotenzial von CrSBr sowie andere Materialkandidaten zu erforschen. „Im MRSEC und EFRC erforschen wir die Quanteneigenschaften mehrerer 2D-Materialien, die man wie Papier stapeln kann, um alle möglichen neuen physikalischen Phänomene zu erzeugen“, sagte Zhu.

For example, if magnon-exciton coupling can be found in other kinds of magnetic semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Halbleiter mit etwas anderen Eigenschaften als CrSBr, sie könnten Licht in einem größeren Farbspektrum emittieren. „Wir stellen den Werkzeugkasten zusammen, um neue Geräte mit anpassbaren Eigenschaften zu konstruieren“, sagte Zhu.

Referenz: „Exzitonengekoppelte kohärente Magnonen in einem 2D-Halbleiter“ von Youn Jue Bae, Jue Wang, Allen Scheie, Junwen Xu, Daniel G. Chica, Geoffrey M. Diederich, John Cenker, Michael E. Ziebel, Yusong Bai, Haowen Ren , Cory R. Dean, Milan Delor, Xiaodong Xu, Xavier Roy, Andrew D. Kent und Xiaoyang Zhu, 7. September 2022, Nature.DOI: 10.1038/s41586-022-05024-1

Die Arbeit wurde vom NSF-finanzierten Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) in Kolumbien unterstützt, wobei das Material im vom DOE finanzierten Energy Frontier Research Center (EFRC) erstellt wurde.