Физики из США описали новый класс сверхтонких материалов, в которых свет, электрический заряд и магнетизм тесно взаимосвязаны, а не действуют независимо друг от друга. Исследование открывает путь к созданию более совершенных оптоэлектронных устройств и квантовых технологий. Результаты работы группы под руководством Винода Менона из Городского колледжа Нью-Йорка опубликованы в журнале Nature Materials.
Речь идёт о слоистых магнитных полупроводниках толщиной в несколько атомов, также известных как ван-дер-ваальсовы материалы. В них световые возбуждения, или экситоны, могут напрямую взаимодействовать с внутренним магнитным полем и его коллективными колебаниями – магнонами. Экситон представляет собой квазичастицу, которая образуется, когда свет сообщает энергию электрону, заставляя его покинуть своё место в кристаллической решётке. Электрон и оставшаяся на его месте положительно заряженная «дырка» остаются связанными.
Ранее учёные уже пытались объединить оптические и магнитные свойства, например, добавляя магнитные атомы в полупроводники или накладывая сверхтонкие полупроводниковые плёнки на магнитные подложки. Новые материалы позволяют добиться этого эффекта напрямую, поскольку и экситоны, и магнитные моменты в них могут возникать из одних и тех же электронных орбиталей. Это означает, что экситон не просто пассивно реагирует на свет, но и «чувствует» магнитную структуру материала и даже способен влиять на неё.
Это свойство позволяет считывать магнитное состояние вещества, наблюдая за изменениями в поляризации света, – экситоны значительно усиливают магнито-оптические эффекты. В свою очередь, магнитный порядок может изменять энергию самих экситонов. Среди наиболее перспективных материалов исследователи называют трийодид хрома, трисульфид никеля-фосфора и бромсульфид хрома.
На основе этих принципов в будущем могут появиться магнито-фотонная память, полностью оптические логические схемы, управляемые светодиоды и лазеры. Ещё одно важное направление – квантовые преобразователи, которые смогут конвертировать сигналы между микроволновыми и оптическими частотами, что необходимо для связи компонентов в квантовых сетях. Несмотря на быстрый прогресс, учёным предстоит изучить множество других подобных материалов и разработать более точные теоретические модели, которые описывают одновременное взаимодействие экситонов, спинов и фотонов.