Eine internationale Forschergruppe hat mithilfe der Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI) einen gemischten Magnonenzustand in einem organischen Perowskit-Hybridmaterial erzeugt. Das resultierende Material hat das Potenzial, Quantencomputerinformationen zu verarbeiten und zu speichern. Die Arbeit erweitert auch die Anzahl potenzieller Materialien, die zur Herstellung hybrider magnonischer Systeme verwendet werden können. Das Werk erscheint in Naturkommunikation.
In magnetischen Materialien lenken Quasiteilchen, sogenannte Magnonen, den Elektronenspin innerhalb des Materials. Es gibt zwei Arten von Magnonen – optische und akustische – die sich auf die Richtung ihrer Drehung beziehen.
„Sowohl optische als auch akustische Magnonen verbreiten Spinwellen in Antiferromagneten“, sagt Dali Sun, außerordentlicher Professor für Physik und Mitglied des Organic and Carbon Electronics Lab (ORaCEL) an der North Carolina State University. „Aber um Spinwellen zur Verarbeitung von Quanteninformationen zu nutzen, braucht man einen gemischten Spinwellenzustand.“
„Normalerweise können zwei Magnonenmoden aufgrund ihrer unterschiedlichen Symmetrien keinen gemischten Spinzustand erzeugen“, sagt Sun. „Aber durch die Nutzung des DMI haben wir einen hybriden Perowskit mit einem gemischten Magnon-Zustand entdeckt.“ Sun ist auch ein korrespondierender Autor der Studie.
Die Forscher erreichten dies, indem sie dem Material ein organisches Kation hinzufügten, das eine bestimmte Wechselwirkung namens DMI erzeugte. Kurz gesagt, das DMI bricht die Symmetrie des Materials und ermöglicht es den Spins, sich zu vermischen.
Das Team verwendete einen kupferbasierten, magnetischen, organisch-anorganischen Hybrid-Perowskit, der eine einzigartige oktaedrische Struktur aufweist. Diese Oktaeder können sich auf unterschiedliche Weise neigen und verformen. Das Hinzufügen eines organischen Kations zum Material bricht die Symmetrie und erzeugt Winkel innerhalb des Materials, die es den verschiedenen Magnonenmoden ermöglichen, sich zu koppeln und die Spins zu mischen.
„Über die Quantenimplikationen hinaus ist dies das erste Mal, dass wir eine gebrochene Symmetrie in einem hybriden organisch-anorganischen Perowskit beobachtet haben“, sagt Andrew Comstock, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der NC State University und Erstautor der Forschung.
„Wir haben festgestellt, dass das DMI eine Magnon-Kopplung in kupferbasierten Hybrid-Perowskit-Materialien mit den richtigen Symmetrieanforderungen ermöglicht“, sagt Comstock. „Das Hinzufügen verschiedener Kationen erzeugt unterschiedliche Effekte. Diese Arbeit eröffnet wirklich Möglichkeiten, eine Magnonenkopplung aus vielen verschiedenen Materialien zu erzeugen – und das Studium der dynamischen Effekte dieses Materials kann uns auch neue Physik lehren.“
Chung-Tao Chou vom Massachusetts Institute of Technology ist Co-Erstautor der Arbeit. Luqiao Liu vom MIT sowie Matthew Beard und Haipeng Lu vom National Renewable Energy Laboratory sind Mitautoren der Studie.
Mehr Informationen:
Andrew H. Comstock et al, Hybrid-Magnonik in hybriden Perowskit-Antiferromagneten, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37505-w