Учёные впервые наблюдали гиперболические экситон-поляритоны в ван-дер-ваальсовом магните

Гиперболическая область в сульфиде-бромиде хрома (CrSBr): a) Металлизированный зонд рассеивающего сканирующего ближнепольного оптического микроскопа, освещённый свободным пространственным светом с импульсом k0. Зонд активирует волноводные моды, которые связываются с экситонами в CrSBr. b) Диэлектрические функции показывают, что в оранжевой полосе (гиперболическая область) они имеют противоположные знаки вдоль осей a и b. Автор: Адаптировано из Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-44100-6

Способность управлять движением электрон-дырочных пар — так называемых экситонов — в заданных направлениях важна для генерации электричества и создания топлива. Этот процесс естественным образом происходит в фотосинтезе, что делает его источником вдохновения для исследователей, работающих над созданием оптоэлектронных устройств.

Сильная связь между светом и экситонами приводит к образованию бозонных квазичастиц — поляритонов, обладающих уникальными свойствами, которые положительно влияют на производительность устройств.

Исследователи впервые наблюдали стационарные гиперболические экситон-поляритоны (HEPs) — экзотический тип экситон-поляритонов с перспективными свойствами — в ван-дер-ваальсовом магните, сульфиде-бромиде хрома (CrSBr).

Результаты исследования опубликованы в статье «Hyperbolic exciton polaritons in a van der Waals magnet» в журнале Nature Communications. Теоретическую основу для объяснения экспериментов, проведённых в Колумбийском университете, разработали учёные из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL). В исследовании также участвовали специалисты из Королевского колледжа Лондона, Университета Вашингтона, Института Флэтайрон и Университета Радбауд.

«Поляритоны могут возникать, когда связь между ограниченным светом и веществом становится сильной. Обычно взаимодействие света и вещества слабое, и свет лишь слегка изменяет квантовое состояние материала. Но когда связь сильна, свет и вещество могут запутаться и образовать новое состояние, содержащее оба компонента», — пояснил Марк ван Шилфгаарде, главный теоретик NREL и соавтор исследования.

Инновации и оптимизация оптоэлектронных и фотоэлектрических устройств, таких как светодиоды, солнечные элементы, детекторы рентгеновского излучения и другие датчики, представляют большой интерес для исследователей, работающих над повышением энергоэффективности. Улучшение характеристик устройств, в основе работы которых лежит преобразование вещества и света, позволяет более эффективно использовать энергию и повышает чувствительность.

Наблюдение гиперболических экситон-поляритонов в наномасштабе

Для визуализации HEPs исследователи использовали криогенный ближне-инфракрасный ближнепольный микроскоп. Этот метод позволил зафиксировать сильную связь между экситонами и поляритонами в CrSBr при комнатной температуре. Учёные предполагают, что магнитоэлектронная связь частично ответственна за гиперболичность в этом материале, хотя сама гиперболичность проявляется только при низких температурах.

«Это первый случай, когда криогенный ближне-инфракрасный ближнепольный микроскоп был использован в опубликованном исследовании», — отметил Фрэнк Рута, аспирант Колумбийского университета и соавтор работы.

Исследователи также разработали теоретическую модель, описывающую поведение экситонов в магнитах как выше, так и ниже критической температуры (температуры Нееля). Это важно, поскольку при температурах выше Нееля экситоны становятся «темнее», а многие свойства HEPs зависят от их «яркости».

В будущем учёные планируют найти способы увеличения времени жизни HEPs, что сделает их более практичными для использования в миниатюрных оптоэлектронных устройствах.

Дополнительная информация: Francesco L. Ruta et al, Hyperbolic exciton polaritons in a van der Waals magnet, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-44100-6

Источник: National Renewable Energy Laboratory