Controlul magnetismului și al topologiei cu ajutorul luminii în materiale bidimensionale
Cercetătorii de la Universitatea Monash au prezis că proprietățile magnetice și topologia electronică ale materialului MnBi₂Te₄ pot fi comutate prin expunere la lumină, deschizând calea către dispozitive electronice viitoare care nu se bazează pe comutarea electrică tradițională, generatoare de căldură și consumatoare de energie. Rezultatele studiului au fost publicate în revista ACS Nano.
Echipa a folosit calcule din primele principii pentru a arăta că o excitație hibridă lumină-materie, numită de cercetători polariton magnetofononic, permite luminii să modifice atât ordinea magnetică, cât și topologia electronică a materialului. Conform calculelor, un puls puternic de teraherți, cu o durată de 0,6 picosecunde și un câmp de aproximativ 2 MV/cm, determină vibrații ale rețelei cristaline care comută cuplajul magnetic dintre cele două straturi ale unei foi de MnBi₂Te₄ groasă de 14 straturi atomice din stare antiferomagnetică în stare feromagnetică, în timp ce rețeaua este excitată. În această stare, foaia trece de la un izolator obișnuit la unul topologic, cu canale conductoare protejate de-a lungul marginilor sale.
Efectul necesită temperaturi scăzute, sub aproximativ 20–25 de kelvini, pentru ca materialul să fie magnetic. În materialele cuantice, electronii, vibrațiile atomice și momentele magnetice interacționează pentru a produce excitații colective cunoscute sub numele de quasiparticule. Polaritonii fononici sunt o astfel de quasiparticulă, formată atunci când lumina se cuplează cu vibrațiile rețelei cristaline. Aceștia confinează lumina în spații foarte mici, ceea ce îi face utili pentru nanofotonică.
În MnBi₂Te₄, unul dintre polaritoni comprimă lumina la o lungime de undă efectivă de aproximativ 18 nanometri, comparativ cu aproximativ 65 de micrometri pentru lumina de aceeași energie în spațiu liber. Potrivit autorilor, ceea ce iese în evidență este faptul că un singur material poate confina puternic lumina și, totodată, poate lăsa această lumină să îi controleze proprietățile magnetice și topologice. Următorul pas al cercetării este testarea predicției, în colaborare cu colegi experimentali, la temperaturi scăzute, folosind pulsuri de teraherți.
Modificările magnetice induse optic oferă o rută către comutarea ultrarapidă, iar polaritonii confinați sunt potriviți pentru componente fotonice miniaturizate. Combinarea ambelor într-un singur material indică dispozitive în care lumina controlează stările electronice magnetice și topologice, cu potențiale aplicații în electronica reconfigurabilă, spintronică și comutatoarele nanofotonice.
