Des scientifiques voient des spins dans un aimant 2D

Tous les aimants – des simples souvenirs accrochés à votre réfrigérateur aux disques qui donnent de la mémoire à votre ordinateur aux versions puissantes utilisées dans les laboratoires de recherche – contiennent des quasi-particules en rotation appelées magnons. La direction dans laquelle un magnon tourne peut influencer celle de son voisin, ce qui affecte le spin de son voisin, et ainsi de suite, produisant ce que l’on appelle des ondes de spin. Les informations peuvent potentiellement être transmises via des ondes de spin plus efficacement qu’avec l’électricité, et les magnons peuvent servir d'”interconnexions quantiques” qui “collent” des bits quantiques ensemble dans de puissants ordinateurs.

Les magnons ont un potentiel énorme, mais ils sont souvent difficiles à détecter sans équipements de laboratoire encombrants. De telles configurations sont parfaites pour mener des expériences, mais pas pour développer des appareils, a déclaré le chercheur de Columbia Xiaoyang Zhu, tels que les appareils magnoniques et les soi-disant spintronique. Voyant magnons peut être rendu beaucoup plus simple, cependant, avec le bon matériau : un semi-conducteur magnétique appelé bromure de sulfure de chrome (CrSBr) qui peut être pelé en couches 2D d’une minceur atomique, synthétisé dans le laboratoire du professeur Xavier Roy du département de chimie.

Dans un nouvel article de La natureZhu et des collaborateurs de Columbia, de l’Université de Washington, de l’Université de New York et du Laboratoire national d’Oak Ridge montrent que les magnons de CrSBr peuvent s’associer à un autre quasi-particule appelé exciton, qui émet de la lumière, offrant aux chercheurs un moyen de “voir” la quasi-particule en rotation.

En perturbant les magnons avec de la lumière, ils ont observé des oscillations des excitons dans le domaine du proche infrarouge, qui est presque visible à l’œil nu. “Pour la première fois, nous pouvons voir des magnons avec un simple effet optique”, a déclaré Zhu.

Les résultats peuvent être considérés comme une transduction quantique, ou la conversion d’un “quanta” d’énergie en un autre, a déclaré le premier auteur Youn Jun (Eunice) Bae, postdoctorant au laboratoire de Zhu. L’énergie des excitons est supérieure de quatre ordres de grandeur à celle des magnons ; maintenant, parce qu’ils s’apparient si fortement, nous pouvons facilement observer de minuscules changements dans les magnons, a expliqué Bae. Cette transduction pourrait un jour permettre aux chercheurs de construire des réseaux d’information quantique qui peuvent prendre des informations à partir de spins. bits quantiques– qui doivent généralement être situés à quelques millimètres l’un de l’autre – et le convertir en lumière, une forme d’énergie qui peut transférer des informations jusqu’à des centaines de kilomètres via des fibres optiques

Le temps de cohérence—combien de temps oscillations peut durer – était également remarquable, a déclaré Zhu, durant beaucoup plus longtemps que la limite de cinq nanosecondes de l’expérience. Le phénomène pourrait parcourir plus de sept micromètres et persister même lorsque les dispositifs CrSBr n’étaient constitués que de deux couches minces d’atomes, ce qui soulève la possibilité de construire des dispositifs spintroniques à l’échelle nanométrique. Ces appareils pourraient un jour être des alternatives plus efficaces à l’électronique d’aujourd’hui. Contrairement aux électrons dans un courant électrique qui rencontrent une résistance lors de leur déplacement, aucune particule ne se déplace réellement dans un onde de spin.

À partir de là, les chercheurs prévoient d’explorer le potentiel d’information quantique de CrSBr, ainsi que d’autres matériaux candidats. “Dans le MRSEC et l’EFRC, nous explorons les propriétés quantiques de plusieurs matériaux 2D que vous pouvez empiler comme des papiers pour créer toutes sortes de nouveaux phénomènes physiques”, a déclaré Zhu.

Par exemple, si magnon-exciton le couplage peut être trouvé dans d’autres types de semi-conducteurs magnétiques avec des propriétés légèrement différentes de CrSBr, ils peuvent émettre de la lumière dans une gamme de couleurs plus large.

“Nous assemblons la boîte à outils pour construire de nouveaux appareils avec des propriétés personnalisables”, a ajouté Zhu.