Cientistas “vêem” quasipartículas girando em um ímã 2D

By Columbia University 12 de setembro de 2022

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.

Although magnons have enormous potential, they are often difficult to detect without bulky pieces of lab equipment. According to Columbia researcher Xiaoyang Zhu, such setups are fine for conducting experiments, but not for developing devices, such as magnonic devices and so-called spintronics. However, seeing magnons can be made much simpler with the right material: a magnetic semiconductor called chromium sulfide bromide (CrSBr) that can be peeled into atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">camadas 2D finas como um átomo, sintetizadas no laboratório do professor do Departamento de Química Xavier Roy.

“Pela primeira vez, podemos ver magnons com um efeito óptico simples.” — Xiaoyang Zhu

In a new article published in the journal Nature on September 7, Zhu and collaborators at Columbia, the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">University of Washington, New York UniversityFounded in 1831, New York University (NYU) is a private research university based in New York City." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">A Universidade de Nova Iorque e o Laboratório Nacional de Oak Ridge mostram que os magnões no CrSBr podem emparelhar-se com outra quasipartícula chamada exciton, que emite luz, oferecendo aos investigadores um mecanismo para “ver” a quasipartícula em rotação.

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.