Onderzoekers hebben ontdekt dat licht - in de vorm van een laser - een vorm van magnetisme kan veroorzaken in een normaal niet-magnetisch materiaal. Dit magnetisme concentreert zich op het gedrag van elektronen. Deze subatomaire deeltjes hebben een elektronische eigenschap genaamd 'spin', die een potentiële toepassing heeft in kwantumcomputers. De onderzoekers ontdekten dat elektronen in het materiaal in dezelfde richting werden georiënteerd wanneer ze werden verlicht door fotonen van een laser.

Het experiment, geleid door wetenschappers van de Universiteit van Washington en de Universiteit van Hong Kong, werd op 20 april gepubliceerd in Nature .

Door elektronenspins op dit niveau van detail en nauwkeurigheid te controleren en uit te lijnen, zou dit platform toepassingen kunnen hebben op het gebied van kwantumsimulatie, volgens co-senior auteur Xiaodong Xu, een Boeing Distinguished Professor aan de UW in de afdeling Natuurkunde en de afdeling van materiaalkunde en engineering.

"In dit systeem kunnen we fotonen in wezen gebruiken om de 'grondtoestand'-eigenschappen - zoals magnetisme - van ladingen die in het halfgeleidermateriaal zijn gevangen te regelen", zegt Xu, die ook een faculteitsonderzoeker is bij het Clean Energy Institute van de UW en de Molecular Instituut voor Ingenieurswetenschappen en Wetenschappen. "Dit is een noodzakelijk controleniveau voor het ontwikkelen van bepaalde soorten qubits - of 'quantumbits' - voor kwantumcomputers en andere toepassingen."

Xu, wiens onderzoeksteam de experimenten leidde, leidde de studie met co-senior auteur Wang Yao, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Hong Kong, wiens team werkte aan de theorie die ten grondslag lag aan de resultaten. Andere UW-faculteitsleden die bij deze studie betrokken zijn, zijn co-auteurs Di Xiao, een UW-hoogleraar natuurkunde en materiaalwetenschappen en techniek die ook een gezamenlijke aanstelling heeft bij het Pacific Northwest National Laboratory, en Daniel Gamelin, een UW-hoogleraar chemie en directeur van het Molecular Engineering Materials Center.

Het team werkte met ultradunne platen - elk slechts drie lagen atomen dik - van wolfraamdiselenide en wolfraamdisulfide. Beide zijn halfgeleidermaterialen, zo genoemd omdat elektronen er doorheen bewegen met een snelheid tussen die van een volledig geleidend metaal en een isolator, met mogelijke toepassingen in fotonica en zonnecellen. Onderzoekers stapelden de twee vellen op elkaar om een ​​"moiré superrooster" te vormen, een gestapelde structuur die bestaat uit herhalende eenheden.

Gestapelde platen zoals deze zijn krachtige platforms voor kwantumfysica en materiaalonderzoek omdat de superroosterstructuur excitonen op hun plaats kan houden. Excitonen zijn gebonden paren "aangeslagen" elektronen en de bijbehorende positieve ladingen, en wetenschappers kunnen meten hoe hun eigenschappen en gedrag veranderen in verschillende superroosterconfiguraties.

De onderzoekers bestudeerden de exciton-eigenschappen in het materiaal toen ze de verrassende ontdekking deden dat licht een belangrijke magnetische eigenschap in het normaal niet-magnetische materiaal triggert. Fotonen die door de laser werden geleverd, "exciteerden" excitonen binnen het pad van de laserstraal, en deze excitonen veroorzaakten een soort langeafstandscorrelatie tussen andere elektronen, waarbij hun spins allemaal in dezelfde richting oriënteerden.

"Het is alsof de excitonen in het superrooster begonnen te 'praten' met ruimtelijk gescheiden elektronen," zei Xu. "Vervolgens brachten de elektronen via excitonen uitwisselingsinteracties tot stand, waardoor een zogenaamde 'geordende toestand' werd gevormd met uitgelijnde spins."

De spin-uitlijning die de onderzoekers in het superrooster zagen, is een kenmerk van ferromagnetisme, de vorm van magnetisme die inherent is aan materialen zoals ijzer. Het is normaal gesproken afwezig in wolfraamdiselenide en wolfraamdisulfide. Elke herhalende eenheid in het moiré-superrooster werkt in wezen als een kwantumpunt om een ​​elektronenspin te "vangen", zei Xu. Gevangen elektronenspins die met elkaar kunnen "praten", zoals deze kunnen, zijn voorgesteld als de basis voor een type qubit, de basiseenheid voor kwantumcomputers die de unieke eigenschappen van kwantummechanica zouden kunnen benutten voor berekeningen.

In een apart artikel gepubliceerd op 25 november in Science , vonden Xu en zijn medewerkers nieuwe magnetische eigenschappen in moiré-superroosters gevormd door ultradunne vellen chroomtrijodide. In tegenstelling tot wolfraamdiselenide en wolfraamdisulfide, heeft chroomtrijodide intrinsieke magnetische eigenschappen, zelfs als een enkele atomaire laag. Gestapelde chroomtrijodidelagen vormden afwisselende magnetische domeinen:een die ferromagnetisch is - met spins allemaal in dezelfde richting uitgelijnd - en een andere die "antiferromagnetisch" is, waarbij spins in tegengestelde richtingen wijzen tussen aangrenzende lagen van het superrooster en in wezen "elkaar opheffen" ’, aldus Xu. Die ontdekking belicht ook de relaties tussen de structuur van een materiaal en het magnetisme dat toekomstige ontwikkelingen op het gebied van computergebruik, gegevensopslag en andere gebieden zou kunnen stimuleren.

"Het laat je de magnetische 'verrassingen' zien die zich kunnen verbergen in moiré-superroosters gevormd door 2D-kwantummaterialen," zei Xu. "Je weet nooit zeker wat je zult vinden, tenzij je kijkt."

Eerste auteur van de Natuur paper is Xi Wang, een UW-postdoctoraal onderzoeker in natuurkunde en scheikunde. Andere co-auteurs zijn Chengxin Xiao van de Universiteit van Hong Kong; UW natuurkunde promovendi Heonjoon Park en Jiayi Zhu; Chong Wang, een UW-onderzoeker in materiaalwetenschap en techniek; Takashi Taniguchi en Kenji Watanabe van het National Institute for Materials Science in Japan; en Jiaqiang Yan in het Oak Ridge National Laboratory. + Verder verkennen

Eenvoudige materialen bieden een kijkje in het kwantumrijk