Alle magneten - van de eenvoudige souvenirs die aan je koelkast hangen tot de schijven die je computergeheugen geven tot de krachtige versies die in onderzoekslaboratoria worden gebruikt - bevatten draaiende quasideeltjes die magnons worden genoemd. De richting waarin een magnon ronddraait, kan die van zijn buurman beïnvloeden, wat de spin van zijn buurman beïnvloedt, enzovoort, waardoor zogenaamde spingolven ontstaan. Informatie kan mogelijk efficiënter worden verzonden via spingolven dan met elektriciteit, en magnons kunnen dienen als 'kwantumverbindingen' die kwantumbits aan elkaar 'lijmen' tot krachtige computers.

Magnons hebben een enorm potentieel, maar zijn vaak moeilijk te detecteren zonder omvangrijke laboratoriumapparatuur. Dergelijke opstellingen zijn prima voor het uitvoeren van experimenten, maar niet voor het ontwikkelen van apparaten, zei Columbia-onderzoeker Xiaoyang Zhu, zoals magnonische apparaten en zogenaamde spintronica. Het zien van magnonen kan echter veel eenvoudiger worden gemaakt met het juiste materiaal:een magnetische halfgeleider genaamd chroomsulfidebromide (CrSBr) die kan worden afgepeld in atoomdunne, 2D-lagen, gesynthetiseerd in het laboratorium van professor Xavier Roy van het Department of Chemistry.

In een nieuw artikel in Natuur , Zhu en medewerkers van Columbia, de University of Washington, New York University en Oak Ridge National Laboratory laten zien dat magnons in CrSBr kunnen paren met een ander quasideeltje, een exciton genaamd, dat licht uitstraalt, wat de onderzoekers een middel biedt om de draaiende quasideeltjes.

Terwijl ze de magnons met licht verstoorden, observeerden ze oscillaties van de excitonen in het nabij-infrarode bereik, dat bijna zichtbaar is voor het blote oog. "Voor het eerst kunnen we magnons zien met een eenvoudig optisch effect", zei Zhu.

De resultaten kunnen worden gezien als kwantumtransductie, of de omzetting van de ene "quanta" van energie in de andere, zei eerste auteur Youn Jun (Eunice) Bae, een postdoc in het laboratorium van Zhu. De energie van excitonen is vier ordes van grootte groter dan die van magnonen; nu, omdat ze zo sterk bij elkaar passen, kunnen we gemakkelijk kleine veranderingen in de magnons waarnemen, legde Bae uit. Deze transductie kan onderzoekers op een dag in staat stellen om kwantuminformatienetwerken te bouwen die informatie kunnen halen uit op spin gebaseerde kwantumbits - die zich over het algemeen binnen millimeters van elkaar moeten bevinden - en deze kunnen omzetten in licht, een vorm van energie die informatie naar boven kan overbrengen. tot honderden kilometers via optische vezels

De coherentietijd - hoe lang de oscillaties kunnen duren - was ook opmerkelijk, zei Zhu, en duurde veel langer dan de limiet van vijf nanoseconden van het experiment. Het fenomeen zou meer dan zeven micrometer kunnen bereiken en zelfs aanhouden als de CrSBr-apparaten waren gemaakt van slechts twee atoomdunne lagen, wat de mogelijkheid vergroot om spintronische apparaten op nanoschaal te bouwen. Deze apparaten zouden ooit efficiëntere alternatieven kunnen zijn voor de hedendaagse elektronica. In tegenstelling tot elektronen in een elektrische stroom die weerstand ondervinden terwijl ze reizen, bewegen geen deeltjes daadwerkelijk in een spingolf.

Vanaf hier zijn de onderzoekers van plan om het kwantuminformatiepotentieel van CrSBr te verkennen, evenals andere materiële kandidaten. "In de MRSEC en EFRC onderzoeken we de kwantumeigenschappen van verschillende 2D-materialen die je als papier kunt stapelen om allerlei nieuwe fysieke fenomenen te creëren," zei Zhu.

Als magnon-excitonkoppeling bijvoorbeeld kan worden gevonden in andere soorten magnetische halfgeleiders met iets andere eigenschappen dan CrSBr, kunnen ze licht uitstralen in een breder scala aan kleuren.

"We zijn de gereedschapskist aan het samenstellen om nieuwe apparaten met aanpasbare eigenschappen te bouwen", voegde Zhu eraan toe. + Verder verkennen

Uniek kwantummateriaal kan ultrakrachtige, compacte computers mogelijk maken