Forskere ser spinn i en 2D-magnet

Alle magneter – fra de enkle suvenirene som henger på kjøleskapet til diskene som gir datamaskinens minne til de kraftige versjonene som brukes i forskningslaboratorier – inneholder spinnende kvasipartikler kalt magnoner. Retningen en magnon spinner kan påvirke den til naboen, noe som påvirker spinn til naboen, og så videre, og gir det som er kjent som spinnbølger. Informasjon kan potensielt overføres via spinnbølger mer effektivt enn med elektrisitet, og magnoner kan tjene som “kvanteforbindelser” som “limer” kvantebiter sammen til kraftige datamaskiner.

Magnoner har et enormt potensial, men de er ofte vanskelige å oppdage uten store laboratorieutstyr. Slike oppsett er fine for å gjennomføre eksperimenter, men ikke for å utvikle enheter, sa Columbia-forsker Xiaoyang Zhu, som for eksempel magnoniske enheter og s.k. spintronikk. Ser magnons kan imidlertid gjøres mye enklere med det riktige materialet: en magnetisk halvleder kalt kromsulfidbromid (CrSBr) som kan skrelles til atomtynne, 2D-lag, syntetisert i laboratoriet til professor Xavier Roy i kjemiavdelingen.

I en ny artikkel i NaturZhu og samarbeidspartnere ved Columbia, University of Washington, New York University og Oak Ridge National Laboratory viser at magnoner i CrSBr kan pares med en annen kvasipartikkel kalt en eksiton, som sender ut lys, og tilbyr forskerne et middel til å “se” den spinnende kvasipartikkelen.

Mens de forstyrret magnonene med lys, observerte de svingninger fra eksitonene i det nær-infrarøde området, som nesten er synlig for det blotte øye. “For første gang kan vi se magnoner med en enkel optisk effekt,” sa Zhu.

Resultatene kan sees på som kvantetransduksjon, eller konvertering av en “kvanta” av energi til en annen, sa førsteforfatter Youn Jun (Eunice) Bae, en postdoktor i Zhus laboratorium. Energien til eksitoner er fire størrelsesordener større enn for magnoner; nå, fordi de parer seg så sterkt, kan vi lett observere små endringer i magnonene, forklarte Bae. Denne transduksjonen kan en dag gjøre det mulig for forskere å bygge kvanteinformasjonsnettverk som kan ta informasjon fra spinnbaserte kvantebiter– som vanligvis må være plassert innenfor millimeter fra hverandre – og konvertere det til lys, en form for energi som kan overføre informasjon opptil hundrevis av miles via optiske fibre

Koherenstiden – hvor lenge svingninger kan vare – var også bemerkelsesverdig, sa Zhu, og varte mye lenger enn grensen på fem nanosekunder for eksperimentet. Fenomenet kunne bevege seg over syv mikrometer og vedvare selv når CrSBr-enhetene var laget av bare to atomtynne lag, noe som øker muligheten for å bygge spintroniske enheter i nanoskala. Disse enhetene kan en dag være mer effektive alternativer til dagens elektronikk. I motsetning til elektroner i en elektrisk strøm som møter motstand mens de reiser, beveger seg faktisk ingen partikler i en spinn bølge.

Herfra planlegger forskerne å utforske CrSBrs kvanteinformasjonspotensial, så vel som andre materielle kandidater. “I MRSEC og EFRC utforsker vi kvanteegenskapene til flere 2D-materialer som du kan stable som papirer for å skape alle slags nye fysiske fenomener,” sa Zhu.

For eksempel, hvis magnon-exciton kobling kan finnes i andre typer magnetiske halvledere med litt andre egenskaper enn CrSBr, de kan avgi lys i et bredere spekter av farger.

“Vi setter sammen verktøykassen for å konstruere nye enheter med tilpassbare egenskaper,” la Zhu til.

---

---