Tous les aimants – des simples souvenirs accrochés à votre réfrigérateur aux disques qui donnent de la mémoire à votre ordinateur aux versions puissantes utilisées dans les laboratoires de recherche – contiennent des quasi-particules en rotation appelées magnons. La direction dans laquelle un magnon tourne peut influencer celle de son voisin, ce qui affecte le spin de son voisin, et ainsi de suite, produisant ce que l’on appelle des ondes de spin. Les informations peuvent potentiellement être transmises via des ondes de spin plus efficacement qu’avec l’électricité, et les magnons peuvent servir d' »interconnexions quantiques » qui « collent » des bits quantiques ensemble dans de puissants ordinateurs.
Les magnons ont un potentiel énorme, mais ils sont souvent difficiles à détecter sans équipements de laboratoire encombrants. De telles configurations sont parfaites pour mener des expériences, mais pas pour développer des dispositifs, a déclaré le chercheur de Columbia Xiaoyang Zhu, tels que les dispositifs magnoniques et la soi-disant spintronique. Voir les magnons peut être rendu beaucoup plus simple, cependant, avec le bon matériau : un semi-conducteur magnétique appelé bromure de sulfure de chrome (CrSBr) qui peut être pelé en couches 2D minces comme des atomes, synthétisé dans le laboratoire du professeur Xavier Roy du département de chimie.
Dans un nouvel article de La natureZhu et des collaborateurs de Columbia, de l’Université de Washington, de l’Université de New York et du 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 aux chercheurs un moyen de « voir » le quasi-particule en rotation.
En perturbant les magnons avec de la lumière, ils ont observé des oscillations des excitons dans le domaine du proche infrarouge, qui est 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 au laboratoire de Zhu. L’énergie des excitons est supérieure de quatre ordres de grandeur à celle des magnons ; maintenant, parce qu’ils s’apparient 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’information quantique capables de prendre 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
Le temps de cohérence – combien de temps les oscillations peuvent durer – était également remarquable, a déclaré Zhu, durant beaucoup plus longtemps que la limite de cinq nanosecondes de l’expérience. Le phénomène pourrait parcourir plus de sept micromètres et persister même lorsque les dispositifs CrSBr n’étaient constitués que de deux couches minces d’atomes, ce qui soulève la possibilité de construire des dispositifs spintroniques à l’échelle nanométrique. Ces appareils pourraient un jour être des alternatives plus efficaces à l’électronique d’aujourd’hui. Contrairement aux électrons dans un courant électrique qui rencontrent une résistance lorsqu’ils se déplacent, aucune particule ne se déplace réellement dans une onde de spin.
À partir de là, les chercheurs prévoient d’explorer le potentiel d’information quantique de CrSBr, ainsi que d’autres matériaux candidats. « Dans le MRSEC et l’EFRC, nous explorons les propriétés quantiques de plusieurs matériaux 2D que vous pouvez empiler comme des papiers pour créer toutes sortes de nouveaux phénomènes physiques », a déclaré Zhu.
Par exemple, si le couplage magnon-exciton peut être trouvé dans d’autres types de semi-conducteurs magnétiques avec des propriétés légèrement différentes de CrSBr, ils pourraient émettre de la lumière dans une gamme de couleurs plus large.
« Nous assemblons la boîte à outils pour construire de nouveaux appareils avec des propriétés personnalisables », a ajouté Zhu.
Youn Jue Bae et al, magnons cohérents couplés à l’exciton dans un semi-conducteur 2D, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05024-1