Ученые наблюдают колебания магнонов в двумерном магните
Все магниты — от простых сувениров, висящих на холодильнике, до дисков, которые обеспечивают память компьютера, и мощных версий, используемых в исследовательских лабораториях, — содержат вращающиеся квазичастицы, называемые магнонами.
Направление вращения одного магнона может влиять на направление вращения его соседа, что влияет на вращение его соседа и так далее, создавая так называемые спиновые волны. Информация потенциально может передаваться с помощью спиновых волн более эффективно, чем с помощью электричества, а магноны могут служить «квантовыми межсоединениями», которые «склеивают» квантовые биты вместе в мощные компьютеры.
Магноны обладают огромным потенциалом, но их часто трудно обнаружить без громоздкого лабораторного оборудования.
Такие установки хороши для проведения экспериментов, но не для разработки устройств, таких как магнонные устройства и так называемая спинтроника. Однако наблюдение магнонов может быть намного проще с помощью подходящего материала: магнитного полупроводника, называемого бромистым сульфидом хрома (CrSBr), который можно разделить на атомарно-тонкие двумерные слои, синтезированные в лаборатории.
В новой статье в журнале Nature ученые показывают, что магноны в CrSBr могут образовывать пары с другой квазичастицей, называемой экситоном, которая излучает свет, предлагая исследователям «видеть» вращающуюся квазичастицу.
Возмущая магноны светом, они наблюдали колебания от экситонов в ближнем инфракрасном диапазоне, почти видимом невооруженным глазом. «Впервые мы можем увидеть магноны с помощью простого оптического эффекта», — говорят исследователи.
Результаты можно рассматривать как квантовую трансдукцию или преобразование одного «кванта» энергии в другой. Энергия экситонов на четыре порядка больше энергии магнонов; теперь, поскольку они так сильно соединяются вместе, ученые могут легко наблюдать крошечные изменения в магнонах.
Эта трансдукция может однажды позволить исследователям построить квантовые информационные сети, которые смогут получать информацию из квантовых битов, основанных на вращении, — которые обычно должны быть расположены в микрометрах друг от друга — и преобразовывать ее в свет, форму энергии, которая может передавать информацию на сотни километров по оптическим волокнам.
По словам ученых, время когерентности — то, как долго могут длиться колебания, — также было примечательным, оно длилось намного дольше, чем пятинаносекундный предел эксперимента. Это явление может распространяться на семь микрометров и сохраняться, даже если устройства CrSBr состоят всего из двух слоев толщиной в атом, что повышает возможность создания наноразмерных устройств спинтроники.
Такие устройства однажды могут стать более эффективной альтернативой современной электронике. В отличие от электронов в электрическом токе , которые встречают сопротивление при движении, в спиновой волне на самом деле не движутся никакие частицы.
Далее исследователи планируют изучить квантовый информационный потенциал CrSBr, а также другие материалы-кандидаты. «Мы изучаем квантовые свойства нескольких 2D-материалов, которые вы можете сложить, как бумагу, чтобы создать всевозможные новые физические явления», — говорят ученые.
Например, если магнон- экситонная связь может быть обнаружена в других видах магнитных полупроводников с несколько иными свойствами, чем у CrSBr, они могут излучать свет в более широком диапазоне цветов.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.