Прорыв в квантовой физике: ученые связали свет и магнетизм в сверхтонких материалах

Ученые из Городского колледжа Нью-Йорка (CCNY) совершили прорыв в квантовой физике, обнаружив, что в материалах толщиной всего в несколько атомов свет, электрический заряд и магнетизм могут напрямую взаимодействовать друг с другом. Исследование, опубликованное в престижном журнале Nature Materials, открывает путь к созданию квантовых технологий нового поколения.

Работа, проведенная под руководством физика Винода М. Менона из Лаборатории нано- и микрофотоники (LaNMP), посвящена изучению так называемых «вандерваальсовых магнитных полупроводников». В этих материалах свет генерирует особые квазичастицы — экситоны, которые способны взаимодействовать с магнитным порядком и магнитными волнами — магнонами.

«В этих материалах свет и магнетизм больше не являются отдельными каналами, — объясняет Пратап Чандра Адак, ведущий автор исследования. — Экситон — это не просто пассивное возбуждение, вызванное светом. Он может чувствовать спиновый порядок и магноны, а при определенных условиях даже помогать контролировать само магнитное состояние».

Ученые выяснили, что экситоны могут значительно усиливать магнитооптические эффекты, позволяя считывать магнитные состояния материала по изменению поляризации света. Кроме того, магнитный порядок способен изменять энергию экситонов и влиять на их локализацию. Взаимодействие экситонов и магнонов связывает оптические сигналы с магнитной активностью на гигагерцовых частотах.

Среди потенциальных применений открытия — магнитофотонная память, полностью оптические логические схемы, перестраиваемые светодиоды, магнитооптические лазеры и поляритонные технологии. Особый интерес представляют квантовые преобразователи, которые смогут конвертировать сигналы между микроволновым и оптическим диапазонами — ключевая технология для будущих квантовых сетей.

Несмотря на впечатляющий прогресс, ученые отмечают, что большая часть этой области остается неизведанной. Для дальнейшего развития необходимы более точные теоретические модели, способные предсказывать совместное поведение экситонов, электронных спинов, колебаний решетки и фотонов. Исследование было поддержано DARPA и Фондом Гордона и Бетти Мур.