Ученые «видят» вращающиеся квазичастицы в двумерном магните

Колумбийский университет, 12 сентября 2022 г.

Соединение магнонов и экситонов позволит исследователям видеть направления спинов, что важно для некоторых квантовых приложений. Фото: Чунг-Джуи Ю.

Новое исследование показывает, что вращающиеся квазичастицы, или магноны, светятся в сочетании со светоизлучающей квазичастицей или экситоном, что потенциально может использоваться в квантовой информации.

Все магниты содержат вращающиеся квазичастицы, называемые магнонами. Это справедливо для всех магнитов: от простых сувениров, висящих на вашем холодильнике, до дисков, которые занимают память вашего компьютера, до мощных версий, используемых в исследовательских лабораториях. Направление вращения одного магнона может влиять на направление вращения его соседа, что, в свою очередь, влияет на спин его соседа и так далее, создавая так называемые спиновые волны. Спиновые волны потенциально могут передавать информацию более эффективно, чем электричество, а магноны могут служить «квантовыми соединениями», которые «склеивают» квантовые биты вместе в мощные компьютеры.

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"}]">2D-слои толщиной в атом, синтезированные в лаборатории профессора химического факультета Ксавье Роя.

«Впервые мы можем увидеть магноны с простым оптическим эффектом», — Сяоян Чжу.

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"}]">Нью-Йоркский университет и Национальная лаборатория Ок-Риджа показывают, что магноны в CrSBr могут образовывать пары с другой квазичастицей, называемой экситоном, которая излучает свет, предлагая исследователям механизм, позволяющий «видеть» вращающуюся квазичастицу.

Возмущая магноны светом, они наблюдали колебания экситонов в ближнем инфракрасном диапазоне, который почти виден невооруженным глазом. «Впервые мы можем увидеть магноны с простым оптическим эффектом», — сказал Чжу.

Результаты можно рассматривать как квантовую трансдукцию или преобразование одного «кванта» энергии в другой, говорит первый автор Юн Джун (Юнис) Бэ, постдок в лаборатории Чжу. Энергия экситонов на четыре порядка больше энергии магнонов; теперь, поскольку они так сильно спариваются, мы можем легко наблюдать крошечные изменения в магнонах, объяснил Бэ. Эта трансдукция может однажды позволить исследователям построить квантовые информационные сети, которые смогут брать информацию от квантовых битов на основе спина, которые обычно должны быть расположены в пределах миллиметров друг от друга, и преобразовывать ее в свет, форму энергии, которая может передавать информацию вверх. на сотни миль по оптическим волокнам.