Semiconductorul stratificat permite controlul magnetic al luminii emise de condensatele cuantice
Cercetătorii au reușit să controleze condensatele de exciton-polaritoni prin proprietățile magnetice ale materialului, folosind un semiconductor magnetic stratificat numit sulfură-bromură de crom (CrSBr). Rezultatele au fost publicate în revista Nature Materials.
Condensatele Bose-Einstein sunt stări ale materiei în care particulele oscilează în sincronie, făcând vizibile efectele cuantice la scară macroscopică. Primele astfel de condensate au fost obținute în gaze atomice ultraf reci, la temperaturi apropiate de zero absolut, însă răcirea necesară era costisitoare și posibilă doar în laboratoare specializate.
Cercetarea actuală se concentrează pe condensate Bose-Einstein în materiale solide, care pot exista și la temperaturi moderate. Se folosesc perechile electron-gol din semiconductori, cunoscute drept excitoni, generați selectiv cu impulsuri laser. Excitonii sunt prea grei pentru a se mișca în sincronie, astfel că sunt cuplați cu câmpul luminos al unui rezonator optic pentru a le reduce masa efectivă. Rezultatul este o stare hibridă de materie și lumină numită exciton-polariton.
Exciton-polaritonii pot fi controlați prin impulsuri laser și, fiind mai ușori, pot fi aduși mai ușor într-o stare cuantică colectivă. Un condensat de exciton-polaritoni este o stare cuantică macroscopică ce emite lumină și se poate forma cu mai puțină răcire externă, uneori chiar fără ea.
Echipa internațională de cercetători a folosit CrSBr, un semiconductor magnetic stratificat, în locul materialelor semiconductoare convenționale. Studiul a fost condus de profesorul Rupert Huber, dr. Fabian Mooshammer și dr. Jan Wilhelm de la Universitatea din Regensburg, dr. Florian Dirnberger de la Universitatea Tehnică din München și profesorul Zdeněk Sofer de la Universitatea de Chimie și Tehnologie din Praga.
Cristalul este format din multe straturi subțiri atomic, a căror orientare magnetică alternează de la un strat la altul. Originea acestor proprietăți magnetice este spinul, un tip de moment unghiular intrinsec al electronilor. Spinul este asociat cu un moment dipolar magnetic, comparabil cu un mic ac de busolă care indică direcția magnetizării. În CrSBr, acești dipoli sunt aliniați în aceeași direcție în interiorul fiecărui strat atomic, dar orientați în direcții opuse în straturile vecine.
Pentru a demonstra că are loc condensarea exciton-polaritonilor, cercetătorii au excitat structurile de CrSBr cu impulsuri laser ultrascurte. Pe măsură ce densitatea particulelor crește, acestea încep să oscileze în sincronie. „Odată ce pragul de condensare este atins, intensitatea luminii emise crește brusc de peste o sută de ori. În același timp, undele luminoase devin ordonate și oscilează în pas unele cu altele. Această coerență oferă dovezi clare ale condensării”, explică dr. Heng Zhang, primul autor al studiului.
Următorul pas a fost determinarea controlului selectiv al condensatului prin câmp magnetic extern. Pe măsură ce câmpul magnetic aplicat crește, energia luminii emise se modifică. Aceasta este o consecință a ordinii magnetice neobișnuite din CrSBr. Inițial, spinii electronilor din straturile vecine sunt aliniați în direcții opuse, creând un fel de cușcă magnetică pentru excitoni. Un câmp magnetic extern poate sparge această cușcă prin alinierea spinilor în aceeași direcție, permițând ajustarea selectivă a proprietăților exciton-polaritonilor.
Acest mecanism de control bazat pe ordinea magnetică a materialului este foarte eficient. „În timp ce abordările anterioare se bazau pe aplicarea unei tensiuni electrice, chiar și câmpuri magnetice moderate în CrSBr permit o deplasare a energiei luminii emise de până la 10 ori mai mare. Astfel, starea cuantică poate fi controlată direct prin magnetismul materialului”, explică Christian Weidgans, co-autor al studiului.
Rezultatele creează o nouă interfață între stările cuantice extinse și ordinea magnetică a unui material. „În viitor, platforma ar putea fi folosită pentru a cupla direct lumina emisă de condensat la stări magnetice și a o manipula pe scări de timp extrem de scurte”, afirmă dr. Niloufar Nilforoushan, co-autor al studiului.
Radiația de microunde poate fi folosită pentru a influența selectiv ordinea magnetică a materialului, oferind perspective promițătoare pentru integrarea platformei în dispozitive de memorie magnetică și pentru conversia eficientă a microundelor în semnale optice. Condensarea exciton-polaritonilor controlată magnetic deschide noi posibilități la interfața dintre optica cuantică și spintronică.
