Wissenschaftler sehen Spins in einem 2D-Magneten

Alle Magnete – von den einfachen Souvenirs, die an Ihrem Kühlschrank hängen, über die Festplatten, die Ihrem Computer Speicher verleihen, bis hin zu den leistungsstarken Versionen, die in Forschungslabors verwendet werden – enthalten sich drehende Quasiteilchen, die Magnonen genannt werden. Die Richtung, in der sich ein Magnon dreht, kann die seines Nachbarn beeinflussen, was den Spin seines Nachbarn beeinflusst, und so weiter, was zu sogenannten Spinwellen führt. Informationen können über Spinwellen möglicherweise effizienter übertragen werden als mit Elektrizität, und Magnonen können als „Quantenverbindungen“ dienen, die Quantenbits zu leistungsstarken Computern „zusammenkleben“.

Magnonen haben ein enormes Potenzial, sind aber ohne sperrige Laborgeräte oft schwer zu entdecken. Solche Aufbauten eignen sich gut für die Durchführung von Experimenten, aber nicht für die Entwicklung von Geräten, wie z. B. magnonischen Geräten und der sogenannten Spintronik, sagte der kolumbianische Forscher Xiaoyang Zhu. Das Sehen von Magnonen kann jedoch mit dem richtigen Material viel einfacher gemacht werden: ein magnetischer Halbleiter namens Chromsulfidbromid (CrSBr), der in atomdünne, 2D-Schichten geschält werden kann, synthetisiert im Labor von Professor Xavier Roy vom Department of Chemistry.

In einem neuen Artikel in NaturZhu und Mitarbeiter von Columbia, der University of Washington, der New York University und dem Oak Ridge National Laboratory zeigen, dass Magnonen in CrSBr sich mit einem anderen Quasiteilchen namens Exziton paaren können, das Licht emittiert und den Forschern eine Möglichkeit bietet, das zu „sehen“. sich drehendes Quasiteilchen.

Als sie die Magnonen mit Licht störten, beobachteten sie Oszillationen der Exzitonen im nahen Infrarotbereich, der mit bloßem Auge fast sichtbar ist. „Zum ersten Mal können wir Magnonen mit einem einfachen optischen Effekt sehen“, sagte Zhu.

Die Ergebnisse können als Quantentransduktion oder Umwandlung eines Energiequants in ein anderes angesehen werden, sagte der Erstautor Youn Jun (Eunice) Bae, ein Postdoc in Zhus Labor. Die Energie von Exzitonen ist vier Größenordnungen größer als die von Magnonen; jetzt, weil sie sich so stark paaren, können wir leicht winzige Veränderungen in den Magnonen beobachten, erklärte Bae. Diese Transduktion könnte es Forschern eines Tages ermöglichen, Quanteninformationsnetzwerke aufzubauen, die Informationen von spinbasierten Quantenbits – die im Allgemeinen nur wenige Millimeter voneinander entfernt sein müssen – aufnehmen und in Licht umwandeln können, eine Energieform, die Informationen nach oben übertragen kann zu Hunderten von Kilometern über Glasfasern

Die Kohärenzzeit – wie lange die Oszillationen dauern können – war ebenfalls bemerkenswert, sagte Zhu, und dauerte viel länger als die Fünf-Nanosekunden-Grenze des Experiments. Das Phänomen könnte sich über sieben Mikrometer ausbreiten und bestehen bleiben, selbst wenn die CrSBr-Geräte aus nur zwei atomdünnen Schichten bestehen, was die Möglichkeit erhöht, spintronische Geräte im Nanomaßstab zu bauen. Diese Geräte könnten eines Tages effizientere Alternativen zur heutigen Elektronik sein. Im Gegensatz zu Elektronen in einem elektrischen Strom, die auf ihrem Weg auf Widerstand stoßen, bewegen sich keine Teilchen tatsächlich in einer Spinwelle.

Von hier aus wollen die Forscher das Quanteninformationspotenzial von CrSBr sowie andere Materialkandidaten untersuchen. „In MRSEC und EFRC untersuchen wir die Quanteneigenschaften mehrerer 2D-Materialien, die man wie Papier stapeln kann, um alle möglichen neuen physikalischen Phänomene zu erzeugen“, sagte Zhu.

Wenn beispielsweise Magnon-Exziton-Kopplung in anderen Arten von magnetischen Halbleitern mit etwas anderen Eigenschaften als CrSBr gefunden werden kann, könnten sie Licht in einem breiteren Farbbereich emittieren.

„Wir stellen die Toolbox zusammen, um neue Geräte mit anpassbaren Eigenschaften zu konstruieren“, fügte Zhu hinzu.