Все магниты — от сувениров на холодильнике и компьютерных дисков до мощных, которые используются в исследовательских лабораториях, — содержат вращающиеся квазичастицы, называемые магнонами.
Почему движение магнонов так важно?
Направление вращения одного магнона может влиять на то же движение его соседа, потом на другую частицу и так далее. Этот процесс создает спиновые волны. Потенциально информация может передаваться с помощью спиновых волн более эффективно, чем с помощью электричества. Сами магноны могут служить для квантовых межсоединений, которые «склеивают» квантовые биты вместе в мощные компьютеры.
В чем проблема?
Магноны обладают огромным потенциалом, но их часто трудно обнаружить без громоздкого лабораторного оборудования. Такие установки подходят для проведения экспериментов, но не для разработки устройств — например, магнонных устройств и спинтроники.
Однако наблюдение магнонов можно упростить с помощью подходящего материала. Например, магнитного полупроводника — бромистого сульфида хрома (CrSBr). Его можно разделить на атомарно-тонкие двумерные слои, синтезированные в лаборатории.
Есть решение
В ходе нового исследования сотрудники из Колумбийского, Вашингтонского и Нью-Йоркского университетов, а также Окриджской национальной лаборатории показали, что в CrSBr магноны могут образовывать пары с другой квазичастицей — экситоном. Ее особенность в том, что она излучает свет, а значит, физики смогут «видеть» вращающуюся квазичастицу.
Что сделали ученые?
Возмущая магноны светом, они наблюдали колебания от экситонов в ближнем инфракрасном диапазоне, почти видимом невооруженным глазом. Иными словами, впервые ученые наблюдали магноны с помощью простого оптического эффекта. Результаты можно рассматривать как квантовую трансдукцию или преобразование одного кванта энергии в другой.
Слияние магнонов и экситонов позволит физикам увидеть направления вращения частиц. Это важно для нескольких квантовых приложений. Предоставлено: Чунг-Джуй Ю
Энергия экситонов на четыре порядка больше энергии магнонов. Теперь, поскольку они соединяются, можно легко наблюдать крошечные изменения в магнонах. Однажды трансдукция позволит инженерам построить квантовые информационные сети (они получают информацию из квантовых битов, основанных на вращении). Обычно сети должны располагаться в пределах миллиметров друг от друга и преобразовывать ее в свет — форму энергии, которая может передавать информацию на сотни километров по оптоволокну.
По словам ученых, в ходе эксперимента отметили время когерентности — то, как долго могут длиться колебания. Так, оно длилось намного дольше, чем планируемый пятинаносекундный предел эксперимента. Явление может распространяться на 7 мкм и сохраняться, даже если устройства CrSBr состоят всего из двух слоев толщиной в атом.
К чему это приведет?
Все это упрощает разработку наноразмерных устройств спинтроники. Однажды они станут эффективной альтернативой современной электронике. В отличие от электронов в электрическом токе, которые встречают сопротивление при движении, в спиновой волне на самом деле никакие частицы не движутся.
Что дальше?
В дальнейшем исследователи изучат квантовый информационный потенциал CrSBr, а также у других материалов-кандидатов. Например, ученые могут найти магнон-экситонную связь в других видах магнитных полупроводников с несколько иными свойствами, чем у CrSBr. В итоге материалы смогут излучать свет в более широком диапазоне цветов.
Читать далее:
Древние викинги страдали от опасной болезни. Ее вызывает паразит из Африки
Установка на Марсе производит кислород со скоростью среднего дерева
Самый большой орган человека воссоздали в лаборатории. Он в два раза прочнее нашего
Фото на обложке: Argonne National Laboratory