Gli scienziati “vedono” quasiparticelle rotanti in un magnete 2D

Di Columbia University12 settembre 2022

L'accoppiamento tra magnoni ed eccitoni consentirà ai ricercatori di vedere le direzioni di spin, una considerazione importante per diverse applicazioni quantistiche. Credito: Chung-Jui Yu

Una nuova ricerca rivela che le quasiparticelle rotanti, o magnoni, si illuminano quando accoppiate con una quasiparticella che emette luce, o eccitone, con potenziali applicazioni di informazione quantistica.

Tutti i magneti contengono quasiparticelle rotanti chiamate magnoni. Questo vale per tutti i magneti, dai semplici souvenir appesi al frigorifero, ai dischi che forniscono spazio alla memoria del computer, alle potenti versioni utilizzate nei laboratori di ricerca. La direzione in cui gira un magnone può influenzare quella del suo vicino, che a sua volta influenza la rotazione del suo vicino, e così via, producendo quelle che sono conosciute come onde di spin. Le onde di spin possono potenzialmente trasmettere informazioni in modo più efficiente dell’elettricità, e i magnoni possono fungere da “interconnessioni quantistiche” che “incollano” insieme i bit quantistici in potenti computer.

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"}]">strati 2D sottili come un atomo, sintetizzati nel laboratorio del professore del Dipartimento di Chimica Xavier Roy.

“Per la prima volta possiamo vedere i magnoni con un semplice effetto ottico.”— 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"}]">La New York University e l'Oak Ridge National Laboratory mostrano che i magnoni nel CrSBr possono accoppiarsi con un'altra quasiparticella chiamata eccitone, che emette luce, offrendo ai ricercatori un meccanismo per "vedere" la quasiparticella rotante.

Mentre perturbavano i magnoni con la luce, hanno osservato le oscillazioni degli eccitoni nella gamma del vicino infrarosso, che è quasi visibile ad occhio nudo. "Per la prima volta possiamo vedere i magnoni con un semplice effetto ottico", ha detto Zhu.

I risultati possono essere visti come trasduzione quantistica, o la conversione di un “quanto” di energia in un altro, ha detto il primo autore Youn Jun (Eunice) Bae, un postdoc nel laboratorio di Zhu. L'energia degli eccitoni è quattro ordini di grandezza maggiore di quella dei magnoni; ora, poiché si accoppiano così fortemente, possiamo facilmente osservare piccoli cambiamenti nei magnoni, ha spiegato Bae. Questa trasduzione potrebbe un giorno consentire ai ricercatori di costruire reti di informazione quantistica in grado di prendere informazioni da bit quantistici basati sullo spin – che generalmente devono essere posizionati a pochi millimetri l’uno dall’altro – e convertirle in luce, una forma di energia in grado di trasferire informazioni verso l’alto. a centinaia di miglia tramite fibre ottiche.