С помощью «игровой площадки», которую они создали для наблюдения за экзотической физикой, ученые Массачусетского технологического института и их коллеги не только нашли новый способ манипулирования магнетизмом в материале с помощью света, но и открыли редкую форму материи. Первое может привести к приложениям, включая устройства хранения данных компьютера, которые могут считывать или записывать информацию гораздо быстрее, а второе вводит новую физику.
Твердое вещество состоит из различных типов элементарных частиц, таких как протоны и нейтроны. Также в таких материалах повсеместно встречаются «квазичастицы», с которыми общественность менее знакома. К ним относятся экситоны, которые состоят из электрона и «дырки», или пространство, остающееся позади, когда свет падает на материал, а энергия фотона заставляет электрон выпрыгивать из своего обычного положения. Однако благодаря тайнам квантовой механики электрон и дырка все еще связаны и могут «общаться» друг с другом посредством электростатических взаимодействий.
«Экситоны можно рассматривать как пакеты энергии, распространяющиеся по системе», — говорит Эдоардо Бальдини, один из двух ведущих авторов статьи о работе в Nature Communications. Бальдини, ныне профессор Техасского университета в Остине, был постдокторантом Массачусетского технологического института, когда работа проводилась в лаборатории Нуха Гедика, профессора физики Массачусетского технологического института. Другой ведущий автор — Карина Белвин, докторант группы Gedik.
«Экситоны в этом материале довольно уникальны тем, что они связаны с магнетизмом в системе. Было весьма впечатляюще иметь возможность «подтолкнуть» экситоны светом и наблюдать связанные с этим изменения в магнетизме», — говорит Гедик, который также связан с Лабораторией исследования материалов Массачусетского технологического института.
Управление магнетизмом
Текущая работа связана с созданием необычных экситонов в материале трисульфид никеля и фосфора (NiPS 3 ). Эти экситоны «одеты» или подвержены влиянию окружающей их среды. В данном случае этой средой является магнетизм. «Итак, мы обнаружили, что, возбуждая эти экситоны, мы действительно можем управлять магнетизмом в материале», — говорит Белвин.
Магнит работает благодаря свойству электронов, называемому спином (другое, более знакомое свойство электронов — их заряд). Спин можно представить себе как элементарный магнит, в котором электроны в атоме подобны маленьким иголочкам, ориентирующимся определенным образом. В магнитах вашего холодильника все вращения направлены в одном направлении, а материал известен как ферромагнетик. В материале, использованном командой Массачусетского технологического института, чередующиеся вращения направлены в противоположные стороны, образуя антиферромагнетик.
Физики обнаружили, что импульс света заставляет каждую из маленьких электронных «игл» в NiPS 3 вращаться по кругу. Вращающиеся спины синхронизированы и образуют волну во всем материале, известную как спиновая волна. Спиновые волны можно использовать в спиновой электронике или спинтронике — области, появившейся в 1960-х годах.
Спинтроника по существу использует вращение электронов, чтобы выйти за рамки электроники, которая основана на их заряде. Способность создавать спиновые волны в антисегнетоэлектрическом материале может привести к созданию будущих компьютерных запоминающих устройств, которые смогут считывать или записывать информацию гораздо быстрее, чем устройства, основанные только на электронике. «Мы еще не достигли этого. В этой статье мы продемонстрировали процесс, который лежит в основе когерентного переключения доменов: следующим шагом будет фактическое переключение доменов», — говорит Бальдини.
Редкая форма материи
Благодаря своей работе команда также продемонстрировала редкую форму материи. Когда физики подвергли NiPS 3 интенсивным импульсам света, они обнаружили, что он превратился в металлическое состояние, которое проводит электроны, сохраняя при этом свой магнетизм. NiPS 3 обычно является изолятором (материалом, который не проводит электроны). «Очень редко бывает антиферромагнетик и металлическое состояние в одном и том же материале», — говорит Белвин.
Физики считают, что это происходит потому, что интенсивный свет заставляет экситоны сталкиваться друг с другом и распадаться на составляющие: электроны и дырки. «Мы фактически разрушаем экситоны, чтобы электроны и дырки могли двигаться, как в металле», — говорит Бальдини. Но эти подвижные частицы не взаимодействуют с локализованными электронными спинами, участвующими в спиновой волне, поэтому магнетизм сохраняется.
Бальдини описывает экспериментальную установку как «игровую площадку для наблюдения за физикой многих тел», которую он определяет как «элегантное взаимодействие между различными телами, такими как экситоны и спиновые волны». Он заключает: «Что мне действительно понравилось в этой работе, так это то, что она показывает сложность окружающего нас мира».
Другими авторами статьи из Массачусетского технологического института являются профессор физики Сентил Тодадри, Илкем Озге Озель (доктор философии ’18), Дэн Мао (доктор философии ’21, в настоящее время работает в Корнельском университете), Хой Чун По (аспирант ’18). -’21, сейчас в Гонконгском университете науки и технологий) и Клиффорд Аллингтон (аспирант по химии). Дополнительными авторами являются Сухан Сон, Инхо Хван и Дже-Гын Пак из Института фундаментальных наук (Корея) и Сеульского национального университета; Бом Хён Ким из Корейского института перспективных исследований; и Джэ Хун Ким и Джонхён Ким из Университета Йонсей.
