Pesquisadores do City College de Nova York estão definindo uma área de rápido crescimento da ciência quântica que se concentra na matéria com apenas alguns átomos de espessura. Nestes sistemas, a luz, a carga elétrica e o magnetismo estão intimamente acoplados, em vez de se comportarem de forma independente.
O trabalho veio do físico Vinod M. do Laboratório Menon de Nano e Micro Fotônica (LaNMP). Os pesquisadores acreditam que essas interações incomuns poderiam eventualmente apoiar dispositivos optoeletrônicos avançados e tecnologias quânticas que manipulam luz, carga e rotação de elétrons simultaneamente.
Quando a luz e o magnetismo interagem
Em uma resenha publicada Materiais da naturezaIntitulado “Excitons em materiais magnéticos de van der Waals”, os pesquisadores examinam avanços recentes envolvendo semicondutores magnéticos em camadas. Esses materiais permitem que a excitação gerada pela luz interaja com partículas magnéticas chamadas excitons e ondas magnéticas chamadas magnons.
Uma excitação é criada quando a luz que entra energiza um elétron e faz com que ele se mova, deixando para trás um “buraco” carregado positivamente. Elétrons e buracos estão ligados, criando uma partícula eletricamente neutra que ainda pode interagir fortemente com a luz. Magnon é diferente. Estas são ondas coletivas que viajam através da estrutura magnética organizada de um material.
Os cientistas passaram anos tentando combinar as propriedades ópticas de semicondutores ricos em excitons com o magnetismo. As técnicas anteriores envolviam a adição de átomos magnéticos ao semicondutor ou o empilhamento de semicondutores atomicamente finos sobre materiais magnéticos.
Os semicondutores magnéticos Van der Waals fornecem uma abordagem mais direta. Nestes cristais, excitons e momentos magnéticos podem emergir dos mesmos orbitais eletrônicos. Esta fonte compartilhada permite que a luz e o magnetismo se influenciem dentro do material.
“Nestes materiais, a luz e o magnetismo já não actuam como canais separados”, disse Pratap Chandra Adak, investigador de pós-doutoramento no grupo de Menon e autor principal da revisão. “Um exciton não é apenas uma excitação passiva impulsionada pela luz situada sobre o magnetismo. Ele pode detectar a ordem do spin e os magnons e, nas condições certas, até mesmo ajudar a controlar o estado magnético.”
Lendo estados magnéticos com luz
A revisão examina várias plataformas de materiais importantes, incluindo triiodeto de cromo, trissulfeto de níquel e fósforo e brometo de cromo e enxofre. A pesquisa sobre esses ímãs bidimensionais revelou várias maneiras pelas quais o exciton e o comportamento magnético podem influenciar um ao outro.
Os excitons podem fortalecer significativamente o efeito magnetoóptico, permitindo aos cientistas detectar estados magnéticos observando mudanças na polarização da luz. A ordem magnética também pode alterar a energia dos excitons e afetar o local onde eles estão confinados em um material.
As interações entre excitons e magnons podem acoplar sinais ópticos à atividade magnética que ocorre em frequências gigahertz. Os pesquisadores também discutem excitons polaritons, partículas híbridas que combinam as propriedades da luz e da matéria e podem transportar informações ópticas através de um material.
“Ao longo dos últimos anos, o campo mudou da detecção de magnetismo em cristais atomicamente finos para a exploração activa de como a ordem magnética pode controlar as interacções luz-matéria,” disse Menon, professor de física e autor sénior da revisão. “O objetivo deste artigo é trazer esses desenvolvimentos para uma estrutura coerente e identificar onde o campo pode ir a seguir.”
Novas possibilidades para a tecnologia quântica
Os investigadores identificam várias aplicações potenciais que dependeriam do controlo preciso da luz e do magnetismo em escalas extremamente pequenas. Isso inclui memória magnetofotônica e leitura de dados, lógica totalmente óptica, dispositivos emissores de luz ajustáveis, lasers magneto-ópticos e tecnologia polaritônica.
Outra aplicação promissora envolve transdutores quânticos. Esses dispositivos convertem sinais entre frequências de micro-ondas e ópticas, uma capacidade que pode se tornar importante para conectar componentes em futuras redes quânticas.
Os principais desafios científicos permanecem
Apesar do rápido progresso, grande parte deste campo permanece inexplorado. Muitos componentes possíveis ainda precisam ser estudados em detalhes, e os cientistas ainda precisam de melhores modelos teóricos que possam prever como os excitons, os spins dos elétrons, as vibrações da rede e os fótons se comportam quando interagem ao mesmo tempo.
Pesquisas futuras podem investigar a conversão de sinal de micro-ondas em sinal óptico para excitons magnéticos moiré, controle óptico de texturas de spin, dispositivos magneto-fotônicos, condensação de exciton polariton magnético e comunicação quântica.
Outros coautores incluem Florian Dirnberger, da Universidade Técnica de Munique; Swagata Acharya do Laboratório Nacional das Montanhas Rochosas; Akashdeep Kamra, da Universidade Técnica da Renânia-Palatinado de Kaiserslautern-Landau; e Xiaodong Xu, da Universidade de Washington.
O trabalho da CCNY foi apoiado pela DARPA e pela Fundação Gordon e Betty Moore.
