دانشمندان چرخش ( اسپین ) را در یک آهنربای دو بعدی مشاهده می کنند

7 سپتامبر 2022 – توسط الن نف، دانشگاه کلمبیا-جفت شدن بین مگنون ها و اکسیتون ها به محققان این امکان را می دهد که جهت های اسپین را ببینند که یکی از ملاحظات مهم برای چندین کاربرد کوانتومی است. اعتبار: Chung-Jui Yu

همه آهن‌رباها – از سوغاتی‌های ساده‌ای که روی یخچال شما آویزان شده تا دیسک‌هایی که حافظه رایانه شما را می‌دهند تا نسخه‌های قدرتمند مورد استفاده در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی – حاوی شبه ذرات در حال چرخش به نام مگنون هستند. جهتی که یک مگنون می‌چرخد می‌تواند بر مسیر همسایه‌اش تأثیر بگذارد، که بر اسپین همسایه‌اش تأثیر می‌گذارد، و به همین ترتیب، امواج اسپینی را ایجاد می‌کند. اطلاعات به طور بالقوه می تواند از طریق امواج اسپین با کارایی بیشتری نسبت به جریان الکتریسیته منتقل شود، و مگنون ها می توانند به عنوان “اتصالات کوانتومی” عمل کنند که بیت های کوانتومی را به کامپیوترهای قدرتمند “چسبیده” می کنند.

مگنون ها پتانسیل بسیار زیادی دارند، اما تشخیص آنها بدون قطعات حجیم تجهیزات آزمایشگاهی اغلب دشوار است. شیائوانگ ژو، محقق کلمبیا، گفت: چنین تنظیماتی برای انجام آزمایش‌ها خوب هستند، اما برای توسعه دستگاه‌ها مناسب نیستند، مانند دستگاه‌های ماگنونی و به اصطلاح اسپینترونیک. با این حال، دیدن مگنون‌ها را می‌توان با مواد مناسب بسیار ساده‌تر کرد: نیمه‌رسانای مغناطیسی به نام سولفید کروم برومید (CrSBr) که می‌تواند در لایه‌های نازک اتمی و دوبعدی پوست کنده شود و در آزمایشگاه پروفسور خاویر روی، پروفسور دپارتمان شیمی سنتز شود.

در مقاله جدیدی در نیچر، ژو و همکارانش در کلمبیا، دانشگاه واشنگتن، دانشگاه نیویورک، و آزمایشگاه ملی اوک ریج نشان می‌دهند که مگنون‌ها در CrSBr می‌توانند با شبه ذره دیگری به نام اکسایتون جفت شوند که نور ساطع می‌کند و به محققان پیشنهاد می‌کند به معنای “دیدن” شبه ذره در حال چرخش است.

همانطور که آنها مگنون ها را با نور آشفته کردند، نوساناتی را از اکسیتون ها در محدوده مادون قرمز نزدیک مشاهده کردند که تقریباً با چشم غیر مسلح قابل مشاهده است. ژو گفت: “برای اولین بار، ما می توانیم مگنون ها را با یک جلوه نوری ساده ببینیم.”

نویسنده اول، یون جون (یونیس) بائه، فوق دکترای آزمایشگاه ژو، گفت: نتایج ممکن است به عنوان انتقال کوانتومی یا تبدیل یک «کوانتوم» انرژی به دیگری در نظر گرفته شود. انرژی اکسیتون ها چهار مرتبه بزرگتر از انرژی مگنون ها است. بائ توضیح داد که اکنون، از آنجا که آنها به شدت با هم جفت می شوند، ما به راحتی می توانیم تغییرات کوچکی را در مگنون ها مشاهده کنیم. این انتقال ممکن است روزی محققین را قادر به ساخت شبکه‌های اطلاعاتی کوانتومی کند که می‌توانند اطلاعات را از بیت‌های کوانتومی مبتنی بر اسپین – که معمولاً باید در فاصله چند میلی‌متری تا صدها مایل از طریق فیبرهای نوری یکدیگر قرار گیرند – دریافت کنند و آن را به نور تبدیل کنند، نوعی انرژی که می‌تواند اطلاعات را به بالا منتقل کند.

ژو گفت که زمان انسجام – مدت زمانی که نوسانات می توانند ادامه داشته باشند – نیز قابل توجه بود و بسیار بیشتر از حد پنج نانوثانیه آزمایش طول کشید. این پدیده می‌تواند بیش از هفت میکرومتر حرکت کند و حتی زمانی که دستگاه‌های CrSBr فقط از دو لایه نازک اتمی ساخته شده‌اند، باقی بماند و امکان ساخت دستگاه‌های اسپینترونیک در مقیاس نانو را افزایش دهد. این دستگاه ها روزی می توانند جایگزین های کارآمدتری برای الکترونیک امروزی باشند. برخلاف الکترون‌های جریان الکتریکی که در حین حرکت با مقاومت مواجه می‌شوند، هیچ ذره‌ای در واقع در یک موج اسپین حرکت نمی‌کند.

از اینجا، محققان قصد دارند پتانسیل اطلاعات کوانتومی CrSBr و همچنین سایر مواد کاندید را بررسی کنند. ژو گفت: «در MRSEC و EFRC، ما در حال بررسی خواص کوانتومی چندین ماده دوبعدی هستیم که می‌توانید آنها را مانند کاغذ روی هم قرار دهید تا انواع پدیده‌های فیزیکی جدید ایجاد کنید.

برای مثال، اگر بتوان جفت مگنون-اکسیتون را در انواع دیگر نیمه هادی های مغناطیسی با خواص کمی متفاوت از CrSBr یافت، ممکن است نور در طیف وسیع تری از رنگ ها ساطع کنند.

ژو افزود: “ما در حال مونتاژ جعبه ابزار برای ساخت دستگاه های جدید با ویژگی های قابل تنظیم هستیم.”