Een grote onderzoeksuitdaging op het gebied van nanotechnologie is het vinden van efficiënte manieren om licht te beheersen, een vermogen dat essentieel is voor beeldvorming met hoge resolutie, biosensoren en mobiele telefoons. Omdat licht een elektromagnetische golf is die zelf geen lading draagt, is het moeilijk te manipuleren met spanning of een extern magnetisch veld. Om deze uitdaging op te lossen, hebben ingenieurs indirecte manieren gevonden om licht te manipuleren met behulp van eigenschappen van de materialen waaruit licht weerkaatst. De uitdaging wordt echter nog moeilijker op nanoschaal, omdat materialen zich anders gedragen in atomair dunne toestanden.

Deep Jariwala, universitair docent in Electrical and Systems Engineering, en collega's hebben een magnetische eigenschap ontdekt in antiferromagnetische materialen die de manipulatie van licht op nanoschaal mogelijk maakt en tegelijkertijd het halfgeleidermateriaal verbindt met magnetisme, een kloof die wetenschappers hebben geprobeerd te overbruggen al decenia. Ze beschreven hun bevindingen in een recente studie gepubliceerd in Nature Photonics .

In samenwerking met Liang Wu, assistent-professor in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan Penn's School of Arts and Sciences, samen met afgestudeerde studenten Huiqin Zhang, een doctoraatsstudent in het laboratorium van Jariwala, en Zhuoliang Ni, een doctoraatsstudent in het laboratorium van Wu, beschrijven de onderzoekers de magnetische eigenschap van FePS3, een antiferromagnetisch halfgeleidermateriaal. Christopher Stevens en Joshua Hendrickson van het Air Force Research Laboratory en KBR, Inc. in Ohio, evenals Aofeng Bai en Frank Peiris van Kenyon College in Ohio hebben ook aan dit werk bijgedragen.

"Het onderzoek van ons lab is gericht op het vinden van nieuwe materialen voor elektronica, computers, informatieopslag en het oogsten en omzetten van energie", zegt Jariwala. "De klasse van materialen die we onderzoeken zijn atomair dunne tweedimensionale Van der Waals-materialen, en meer specifiek die welke halfgeleidend zijn."

Magnetische materialen worden geclassificeerd als ferromagneten of antiferromagneten. Antiferromagneten zijn materialen die lijnen van elektronen bevatten die in de ene richting draaien naast lijnen van elektronen die in de tegenovergestelde richting draaien, waardoor alle aantrekkings- of afstotingskrachten die typisch zijn voor magneten worden opgeheven, terwijl ferromagneten die zijn met elektronen die allemaal in dezelfde richting draaien en hun eigen produceren magnetisch veld.

Het antiferromagnetische materiaal dat in dit onderzoek is gebruikt, FePS3, of ijzerfosfortrisulfide, is een halfgeleider met unieke optische eigenschappen die afhankelijk zijn van de uitlijning van de elektronenspinrichting.

"Door een extern magnetisch veld op deze antiferromagnetische 2D-halfgeleider aan te leggen, kunnen we theoretisch de optische eigenschappen ervan veranderen", zegt Jariwala. "En dat is hoe je een magnetische eigenschap gebruikt om licht te manipuleren. Nu we het verband hebben gelegd tussen magnetisme en lichtmanipulatie, betreden we het veld van 'magnetofotonica', een onderzoeksgebied waarvan ik denk dat het in de komende vijf tot tien jaar enorm zal toenemen. jaar."

Het artikel beschrijft niet alleen het gebruik van de magnetische eigenschappen van het materiaal om licht te beheersen, het benadrukt dat er ook een fysieke eigenschap van het betrokken materiaal is.

"We ontdekken ook dat dit antiferromagnetische materiaal voor specifieke diktes fungeert als een holte die de interactie met licht en de wijziging ervan met de magnetische eigenschap aanzienlijk verbetert", zegt Jariwala. "Dit is belangrijk bij het ontwikkelen van een efficiënte techniek voor lichtregeling."

"Stel je de holte van het materiaal voor als de ruimte tussen twee parallelle spiegels", zegt hij. "Als je in deze ruimte staat, zul je een oneindig aantal van je eigen reflecties zien, wat optreedt omdat het licht dat je waarneemt vele malen in wisselwerking staat met het medium van de spiegels. Hoe meer interactie het licht heeft met het medium voordat het ontsnapt, hoe sterker het optische effect. Door een zeer interactieve holte te creëren door de dikte van het materiaal te veranderen, kunnen we sterke optische reacties produceren, alleen worden ze nu ook geleid door de magnetische eigenschap van de halfgeleider."

Het werk van Jariwala brengt de magnetische en optische eigenschappen van antiferromagnetische nanomaterialen met elkaar in verband en opent deuren voor technisch licht voor hightech toepassingen.

De manipulatie van licht is niet alleen belangrijk voor technologische vooruitgang, het is ook een hulpmiddel dat wordt gebruikt om materialen te karakteriseren.

"Dit werk heeft ook betrekking op een eerdere studie onder leiding van Liang die het vermogen aantoonde van microscopie van de tweede harmonische generatie om de spin-uitlijning in een andere antiferromagnetische halfgeleider op monolaagniveau direct in beeld te brengen", zegt Jariwala.

"Dit type microscopie is een gespecialiseerde manier om een ​​unieke optische eigenschap waar te nemen die alleen in bepaalde materialen aanwezig is. Met behulp van deze gespecialiseerde microscopietechniek kunnen we nu materialen karakteriseren en hun magnetische eigenschappen in kaart brengen met een dikte van slechts een paar atomen. het belang van optische eigenschappen voor zowel het beter begrijpen van materialen als het ontwikkelen van nieuwe soorten beeldvormings- en microscopietechnieken." zegt Wu

De volgende stappen van de onderzoekers zullen zijn om de theorie van lichtmanipulatie door magnetisme in de praktijk te brengen door actief magnetische velden toe te passen op geselecteerde oriënteerspins in antiferromagnetische materialen, waarbij het vermogen wordt getest om magnetofotonische circuits te creëren.

"We zijn erg enthousiast over deze waarnemingen, vooral omdat ze zich in halfgeleidermaterialen bevinden waar we verschillende andere knoppen voor manipulatie hebben", zegt Jariwala. "Bovendien is deze klasse van materialen veel breder met veel meer combinaties om te verkennen, waaronder manieren vinden om de magnetische overgangstemperaturen te verhogen. We zijn nu op zoek naar manieren om het licht in deze materialen te manipuleren met behulp van meerdere bedieningsknoppen en te zien hoe sterk kunnen we ze afstemmen op echte apparaten." + Verder verkennen

Spintronica:elektronica verbeteren met fijnere spincontrole