Les scientifiques « voient » des quasiparticules en rotation dans un aimant 2D

Par Université Columbia12 septembre 2022

L’appariement entre magnons et excitons permettra aux chercheurs de visualiser les directions de spin, un aspect important pour plusieurs applications quantiques. Crédit : Chung-Jui Yu

De nouvelles recherches révèlent que les quasiparticules en rotation, ou magnons, s'allument lorsqu'elles sont associées à une quasiparticule électroluminescente, ou exciton, avec des applications potentielles en matière d'information quantique.

Tous les aimants contiennent des quasiparticules en rotation appelées magnons. Cela est vrai de tous les aimants, des simples souvenirs accrochés à votre réfrigérateur aux disques qui permettent de stocker la mémoire de votre ordinateur, en passant par les versions puissantes utilisées dans les laboratoires de recherche. La direction de rotation d'un magnon peut influencer celle de son voisin, qui à son tour affecte la rotation de son voisin, et ainsi de suite, produisant ce que l'on appelle des ondes de spin. Les ondes de spin peuvent potentiellement transmettre des informations plus efficacement que l’électricité, et les magnons peuvent servir d’« interconnexions quantiques » qui « collent » les bits quantiques ensemble dans des ordinateurs puissants.

Although magnons have enormous potential, they are often difficult to detect without bulky pieces of lab equipment. According to Columbia researcher Xiaoyang Zhu, such setups are fine for conducting experiments, but not for developing devices, such as magnonic devices and so-called spintronics. However, seeing magnons can be made much simpler with the right material: a magnetic semiconductor called chromium sulfide bromide (CrSBr) that can be peeled into atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Couches 2D très fines, synthétisées dans le laboratoire du professeur Xavier Roy au Département de chimie.

"Pour la première fois, nous pouvons voir des magnons avec un simple effet optique." - Xiaoyang Zhu

In a new article published in the journal Nature on September 7, Zhu and collaborators at Columbia, the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">University of Washington, New York UniversityFounded in 1831, New York University (NYU) is a private research university based in New York City." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">L'Université de New York et le laboratoire national d'Oak Ridge montrent que les magnons du CrSBr peuvent s'associer à une autre quasi-particule appelée exciton, qui émet de la lumière, offrant ainsi aux chercheurs un mécanisme pour « voir » la quasi-particule en rotation.

En perturbant les magnons avec de la lumière, ils ont observé des oscillations des excitons dans le proche infrarouge, presque visible à l’œil nu. "Pour la première fois, nous pouvons voir des magnons avec un simple effet optique", a déclaré Zhu.

Les résultats peuvent être considérés comme une transduction quantique, ou la conversion d'un « quanta » d'énergie en un autre, a déclaré le premier auteur Youn Jun (Eunice) Bae, postdoctorant dans le laboratoire de Zhu. L'énergie des excitons est quatre ordres de grandeur supérieure à celle des magnons ; Maintenant, parce qu'ils s'associent si fortement, nous pouvons facilement observer de minuscules changements dans les magnons, a expliqué Bae. Cette transduction pourrait un jour permettre aux chercheurs de construire des réseaux d'informations quantiques capables de récupérer des informations à partir de bits quantiques basés sur le spin (qui doivent généralement être situés à quelques millimètres les uns des autres) et de les convertir en lumière, une forme d'énergie capable de transférer des informations vers le haut. à des centaines de kilomètres via des fibres optiques.