Исследователи обнаружили, что свет - в форме лазера - может вызвать форму магнетизма в обычно немагнитном материале. Этот магнетизм сосредоточен на поведении электронов. Эти субатомные частицы обладают электронным свойством, называемым «спин», которое может найти применение в квантовых вычислениях. Исследователи обнаружили, что электроны внутри материала ориентируются в одном направлении при освещении фотонами лазера.
Эксперимент, проведенный учеными из Университета Вашингтона и Университета Гонконга, был опубликован 20 апреля в журнале Nature.
Управляя и выравнивая спины электронов с таким уровнем детализации и точности, эта платформа может иметь приложения в области квантового моделирования, по словам со-старшего автора Сяодун Сюй, заслуженного профессора Boeing в UW в отделе физики и факультета материаловедения и инженерии.
«В этой системе мы можем использовать фотоны в основном для управления свойствами «основного состояния», такими как магнетизм, зарядов, захваченных внутри полупроводникового материала», - сказал Сюй, который также является научным сотрудником Университета Вашингтона. Энергетический институт и Институт молекулярной инженерии и наук. «Это необходимый уровень контроля для разработки определенных типов кубитов - или «квантовых битов» - для квантовых вычислений и других приложений».
Сюй, чья исследовательская группа возглавила эксперименты, руководил исследованием вместе со старшим автором Ван Яо, профессором физики Гонконгского университета, чья команда работала над теорией, лежащей в основе результатов. Другими преподавателями Университета Вашингтона, участвующими в этом исследовании, являются соавторы Ди Сяо, профессор физики, материаловедения и инженерии Университета Вашингтона, который также занимает совместную должность в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, и Даниэль Гамелен, профессор химии и директор Университета Вашингтона. Центра материалов молекулярной инженерии.
Команда работала с ультратонкими пластинами из диселенида и дисульфида вольфрама толщиной всего в три слоя атомов каждый. Оба являются полупроводниковыми материалами, названными так потому, что электроны движутся через них со скоростью между полностью проводящим металлом и изолятором, с потенциальным использованием в фотонике и солнечных элементах. Исследователи сложили два листа друг над другом, чтобы сформировать «муаровую сверхрешетку» - многослойную структуру, состоящую из повторяющихся элементов.
Сложенные листы, подобные этим, являются мощными платформами для квантовой физики и исследования материалов, потому что структура сверхрешетки может удерживать экситоны на месте. Экситоны представляют собой связанные пары «возбужденных» электронов и связанных с ними положительных зарядов, и ученые могут измерить, как их свойства и поведение изменяются в различных конфигурациях сверхрешетки.
Исследователи изучали свойства экситонов в материале, когда они сделали удивительное открытие, что свет запускает ключевое магнитное свойство в обычно немагнитном материале. Фотоны, испускаемые лазером, «возбуждали» экситоны на пути лазерного луча, и эти экситоны индуцировали своего рода дальнодействующую корреляцию между другими электронами, причем все их спины были ориентированы в одном направлении..
«Это как если бы экситоны внутри сверхрешетки начали «разговаривать» с пространственно разделенными электронами», - сказал Сюй. «Затем с помощью экситонов электроны установили обменные взаимодействия, образуя так называемое «упорядоченное состояние» с выровненными спинами».
Выравнивание спинов, которое исследователи наблюдали в сверхрешетке, является характеристикой ферромагнетизма, формы магнетизма, присущей таким материалам, как железо. Обычно он отсутствует в диселениде и дисульфиде вольфрама. По словам Сюй, каждая повторяющаяся единица сверхрешетки муара действует как квантовая точка, «захватывающая» спин электрона. Захваченные спины электронов, которые могут «разговаривать» друг с другом, были предложены в качестве основы для типа кубита, базовой единицы для квантовых компьютеров, которые могли бы использовать уникальные свойства квантовой механики для вычислений.
В отдельной статье, опубликованной 25 ноября в журнале Science, Сюй и его сотрудники обнаружили новые магнитные свойства в муаровых сверхрешетках, образованных ультратонкими листами трииодида хрома. В отличие от диселенида и дисульфида вольфрама, трииодид хрома обладает присущими ему магнитными свойствами даже в виде единого атомного листа. Уложенные друг на друга слои трииодида хрома сформировали чередующиеся магнитные домены: один ферромагнитный - со спинами, ориентированными в одном направлении, - и другой, «антиферромагнитный», где спины направлены в противоположных направлениях между соседними слоями сверхрешетки и, по существу, «компенсируют друг друга». , по словам Сюй. Это открытие также проливает свет на взаимосвязь между структурой материала и его магнетизмом, что может способствовать будущим достижениям в области вычислений, хранения данных и других областях.
«Это показывает вам магнитные «сюрпризы», которые могут скрываться в муаровых сверхрешетках, образованных двумерными квантовыми материалами», - сказал Сюй. «Никогда нельзя быть уверенным, что найдешь, если не посмотришь».
Первым автором статьи в Nature является Си Ван, научный сотрудник Университета Вашингтона в области физики и химии. Другими соавторами являются Chengxin Xiao из Университета Гонконга; докторанты физики Университета Вашингтона Хеонджун Пак и Цзяи Чжу; Чонг Ван, исследователь UW в области материаловедения и инженерии; Такаси Танигути и Кенджи Ватанабэ из Национального института материаловедения Японии; и Цзяцян Ян из Окриджской национальной лаборатории. Исследование финансировалось Министерством энергетики США; Исследовательское бюро армии США; Национальный научный фонд США; Фонд Краучера; Комитет по университетским грантам/Совет по исследовательским грантам Специального административного района Гонконг; Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии; Японское общество содействия науке; Японское агентство по науке и технологиям; штат Вашингтон; и УВ.