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O emparelhamento entre magnons e excitons permitirá aos pesquisadores ver as direções dos spins, uma consideração importante para diversas aplicações quânticas. Crédito: Chung-Jui Yu
Uma nova pesquisa revela que quasipartículas giratórias, ou magnons, acendem quando combinadas com uma quasipartícula emissora de luz, ou exciton, com potenciais aplicações de informação quântica.
Todos os ímãs contêm quasipartículas giratórias chamadas magnons. Isso se aplica a todos os ímãs, desde os simples souvenirs pendurados na geladeira até os discos que armazenam a memória do computador e as versões poderosas usadas em laboratórios de pesquisa. A direção de rotação de um magnon pode influenciar a de seu vizinho, que por sua vez afeta o spin de seu vizinho, e assim por diante, produzindo o que é conhecido como ondas de spin. As ondas spin podem potencialmente transmitir informações com mais eficiência do que a eletricidade, e os magnons podem servir como “interconexões quânticas” que “colam” bits quânticos em computadores poderosos.
Embora os magnons tenham um enorme potencial, muitas vezes são difíceis de detectar sem equipamentos de laboratório volumosos. De acordo com o pesquisador da Columbia, Xiaoyang Zhu, essas configurações são adequadas para a realização de experimentos, mas não para o desenvolvimento de dispositivos, como dispositivos magnônicos e os chamados spintrônicos. No entanto, ver magnons pode ser muito mais simples com o material certo: um semicondutor magnético chamado brometo de sulfeto de cromo (CrSBr) que pode ser descascado em átomo-camadas 2D finas, sintetizadas no laboratório do professor do Departamento de Química Xavier Roy.
“Pela primeira vez, podemos ver magnons com um efeito óptico simples.”
– Xiaoyang Zhu
Em novo artigo publicado na revista Natureza em 7 de setembro, Zhu e colaboradores da Columbia, a universidade de Washington, Universidade de Nova Yorke o Laboratório Nacional de Oak Ridge mostram que os magnons no CrSBr podem emparelhar-se com outra quasipartícula chamada exciton, que emite luz, oferecendo aos pesquisadores um mecanismo para “ver” a quasipartícula giratória.
À medida que perturbavam os magnões com luz, observaram oscilações dos excitons na faixa do infravermelho próximo, que é quase visível a olho nu. “Pela primeira vez, podemos ver magnons com um efeito óptico simples”, disse Zhu.
Os resultados podem ser vistos como transdução quântica, ou a conversão de um “quanta” de energia em outro, disse o primeiro autor Youn Jun (Eunice) Bae, pós-doutorado no laboratório de Zhu. A energia dos excitons é quatro ordens de magnitude maior que a dos magnons; agora, como eles formam pares tão fortes, podemos facilmente observar pequenas mudanças nos magnons, explicou Bae. Essa transdução poderá um dia permitir que os pesquisadores construam redes de informação quântica que possam obter informações de bits quânticos baseados em spin – que geralmente precisam estar localizados a milímetros um do outro – e convertê-las em luz, uma forma de energia que pode transferir informações para cima. a centenas de quilômetros através de fibras ópticas.
Zhu disse que o tempo de coerência – quanto tempo as oscilações podem durar – também foi notável, durando muito mais do que o limite de cinco nanossegundos do experimento. O fenômeno poderia viajar mais de sete micrômetros e persistir mesmo quando os dispositivos CrSBr eram feitos de apenas duas camadas da espessura de um átomo, aumentando a possibilidade de construção de dispositivos spintrônicos em nanoescala. Esses dispositivos poderão um dia ser alternativas mais eficientes aos eletrônicos atuais. Ao contrário dos elétrons em uma corrente elétrica que encontram resistência à medida que viajam, nenhuma partícula está realmente se movendo em uma onda de spin.
A partir daqui, os cientistas planejam explorar o potencial de informação quântica do CrSBr, bem como de outros candidatos materiais. “No MRSEC e no EFRC, estamos explorando as propriedades quânticas de vários materiais 2D que você pode empilhar como papéis para criar todos os tipos de novos fenômenos físicos”, disse Zhu.
Por exemplo, se o acoplamento magnon-exciton puder ser encontrado em outros tipos de semicondutores com propriedades ligeiramente diferentes do CrSBr, eles podem emitir luz em uma gama mais ampla de cores. “Estamos montando a caixa de ferramentas para construir novos dispositivos com propriedades personalizáveis”, disse Zhu.
Referência: “Magnons coerentes acoplados a Exciton em um semicondutor 2D” por Youn Jue Bae, Jue Wang, Allen Scheie, Junwen Xu, Daniel G. Chica, Geoffrey M. Diederich, John Cenker, Michael E. Ziebel, Yusong Bai, Haowen Ren , Cory R. Dean, Milan Delor, Xiaodong Xu, Xavier Roy, Andrew D. Kent e Xiaoyang Zhu, 7 de setembro de 2022, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-022-05024-1
O trabalho foi apoiado pelo Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais (MRSEC), financiado pela NSF, com o material criado no Energy Frontier Research Center (EFRC), financiado pelo DOE.