Исследователи из Городского колледжа Нью-Йорка изучают необычные материалы толщиной всего в несколько атомов. В них свет, электрический заряд и магнетизм оказываются тесно связаны и могут влиять друг на друга.
Учёные считают, что в будущем такие свойства помогут создавать новые оптоэлектронные устройства и квантовые технологии, способные одновременно управлять светом, зарядом и спином электронов.
В обзоре, опубликованном в журнале Nature Materials, исследователи описали достижения в изучении слоистых магнитных полупроводников. Особое внимание они уделили взаимодействию экситонов с магнитным порядком и магнонами.
Экситон возникает, когда свет передаёт энергию электрону и заставляет его переместиться. На прежнем месте остаётся положительно заряженная «дырка». Электрон и дырка сохраняют связь и вместе образуют электрически нейтральную частицу, которая при этом активно взаимодействует со светом.
Магноны устроены иначе. Это коллективные волны, распространяющиеся через упорядоченную магнитную структуру материала.
Учёные давно пытаются объединить оптические свойства полупроводников с магнетизмом. Ранее для этого в полупроводники добавляли магнитные атомы или накладывали сверхтонкие полупроводниковые слои на магнитные материалы.
Магнитные полупроводники Ван-дер-Ваальса предлагают более прямой подход. В таких кристаллах экситоны и магнитные моменты могут возникать из одних и тех же электронных орбиталей. Благодаря этому свет и магнетизм начинают взаимодействовать непосредственно внутри материала.
Экситон в такой системе не просто появляется под действием света. Он способен чувствовать расположение спинов и магнитные волны, а при определённых условиях — даже влиять на магнитное состояние материала.
Исследователи рассмотрели несколько двумерных магнитных материалов, включая трииодид хрома, трисульфид фосфора никеля и сульфид-бромид хрома. Эксперименты показали, что экситоны могут заметно усиливать магнитооптические эффекты.
Это позволяет определять магнитное состояние материала по изменениям поляризации света. В свою очередь, магнитный порядок способен менять энергию экситонов и влиять на то, в каких участках материала они удерживаются.
Взаимодействие экситонов и магнонов также может связывать оптические сигналы с магнитными процессами, происходящими на гигагерцевых частотах.
Ещё одно перспективное направление связано с экситонными поляритонами — гибридными частицами, сочетающими свойства света и вещества. Они могут переносить оптическую информацию внутри материала.
За последние годы эта область перешла от простого обнаружения магнетизма в сверхтонких кристаллах к попыткам активно управлять взаимодействием света и вещества с помощью магнитного порядка.
В будущем такие материалы могут применяться в магнито-фотонной памяти, системах считывания данных, полностью оптической логике, настраиваемых источниках света, магнитооптических лазерах и поляритонных устройствах.
Особый интерес представляют квантовые преобразователи, способные переводить сигналы из микроволнового диапазона в оптический и обратно. Такая технология может оказаться полезной для соединения отдельных компонентов будущих квантовых сетей.
Однако многие вопросы пока остаются открытыми. Значительная часть возможных материалов ещё почти не изучена, а существующие теоретические модели пока не могут достаточно точно предсказывать совместное поведение экситонов, электронных спинов, колебаний кристаллической решётки и фотонов.
Дальнейшие исследования могут быть посвящены магнитным экситонам в муаровых структурах, управлению спиновыми текстурами с помощью света, магнито-фотонным устройствам, конденсации магнитных экситонных поляритонов и преобразованию микроволновых сигналов в оптические для квантовой связи.
