Un equipo internacional de investigadores ha demostrado que las cuasipartículas híbridas de materia ligera pueden mejorar los efectos magnetoópticos en cristales en capas. Esta investigación tiene fuertes implicaciones para el desarrollo de dispositivos magnetoópticos, como sensores y dispositivos de imágenes, que permiten la determinación directa y el mapeo de dominios magnéticos en materiales. La investigación también podría conducir a la creación de interruptores de alta velocidad y dispositivos de memoria magnética controlados totalmente ópticamente.

Las cuasipartículas en este estudio fueron excitones-polaritones, que son estados híbridos de materia ligera que pueden ocurrir en una cavidad óptica donde hay una interacción suficiente entre el modo fotón de la cavidad y los pares electrón-hueco unidos: los excitones. Este sistema se describe como "fuertemente acoplado" y los polaritones poseen propiedades características tanto de la luz como de la materia. Debido a su baja masa efectiva, su corta vida útil (propiedades fotónicas) y su gran capacidad para interactuar (propiedades excitónicas), los polaritones son de gran interés para una variedad de aplicaciones tecnológicas de alta velocidad y bajas pérdidas, como sensores de poca luz, dispositivos lógicos y comunicaciones cuánticas.

También se ha prestado especial atención al desarrollo de dispositivos magnetoópticos, que permiten manipular la luz mediante campos magnéticos aplicados. Para crear dichos dispositivos se necesita una comprensión integral de la interacción entre los excitones y los campos magnéticos. Para estudiar estas interacciones es necesario disponer de un material con una fuerte respuesta magnetoóptica. Un material de este tipo había sido difícil de encontrar, pero recientemente se ha demostrado que los cristales magnéticos de Van der Waals (vdW) son muy prometedores.

En esta última investigación, científicos del City College de Nueva York y el Centro de Investigación Científica Avanzada de CUNY en EE. UU., en colaboración con un equipo internacional, han demostrado que la presencia de excitones-polaritones puede mejorar aún más la respuesta magnetoóptica en estos materiales. . Su estudio se describe en un artículo publicado en Naturaleza.

Excitones controlados magnéticamente

Los cristales de vdW utilizados en este estudio fueron bromuro de sulfuro de cromo (CrSBr), que consiste en capas cuasi-2D de CrSBr unidas por fuerzas débiles de van der Waals. A bajas temperaturas, el material se encuentra en un estado antiferromagnético en el que los espines de los electrones de las capas adyacentes están alineados de manera opuesta. Sin embargo, es posible cambiar los cristales a un estado ferromagnético (todos los espines están alineados) aplicando un campo magnético moderado. Si bien esta transición a menudo resulta en un efecto magnetoóptico que cambia la polarización o la intensidad de la luz (efectos en los que se basan la mayoría de los dispositivos magnetoópticos existentes), en el CrSBr es la energía del excitón (y, por lo tanto, el espectro óptico de los materiales) la que se determina. alterado.

En este estudio, Florian Dirnberger, Jiamin Quan y sus colegas estudiaron dos tipos de cavidades de CrSBr. El primero se parecía a una cavidad óptica tradicional en la que se depositaban espejos externos altamente reflectantes a cada lado de un cristal de CrSBr. El segundo se basó en el fuerte contraste dieléctrico entre el cristal y su entorno para confinar el modo de fotón de la cavidad en su interior, formando una cavidad "sin espejo". Debido a la fuerza extremadamente grande del oscilador de excitones de los cristales de CrSBr, se observó un fuerte acoplamiento entre el modo fotónico y los excitones magnéticos y, por lo tanto, la presencia de excitones-polaritones.

Aumentar el ancho de banda

Al aplicar un campo magnético externo a los cristales, los investigadores pudieron reducir el ángulo entre los espines alineados de manera opuesta. Esto resultó en una disminución de la energía del excitón y cambió los cristales del estado antiferromagnético al ferromagnético. Este cambio de energía alteró la fracción relativa excitón-fotón de los polaritones, cambiando sus niveles de energía y modificando el espectro de reflectividad medido.

En un cristal de CrSBr débilmente acoplado (sin espejos externos), la respuesta magnetoóptica solo ocurriría alrededor de la energía del excitón. Sin embargo, en este sistema fuertemente acoplado, los estados de polaritones existen muy por debajo de la banda prohibida, lo que proporciona un ancho de banda significativamente mayor de la respuesta magnetoóptica.

Los investigadores también estudiaron el efecto de los magnones en el sistema. Se trata de oscilaciones cuantificadas en el ángulo entre los espines alineados de manera opuesta que también alteran la energía del excitón. Utilizando pulsos de láser ultracortos para generar magnones coherentes, observaron que el espectro de reflectividad de la cavidad exhibía oscilaciones con una frecuencia que coincidía con la de los magnones coherentes en CrSBr. Si bien este efecto se produce en ambas cavidades, aumenta considerablemente en la muestra con espejos externos debido al ancho de línea reducido de los polaritones.

La coherencia no siempre es necesaria

Sorprendentemente, los investigadores también observaron que los magnones incoherentes, que se generan térmicamente, pueden producir una respuesta magnetoóptica pronunciada. Hasta este estudio, se pensaba que la coherencia era necesaria para lograr tal efecto. Utilizando modelos teóricos, los investigadores han demostrado que, por debajo de una determinada temperatura, la dependencia de la temperatura de los excitones en CrSBr se ve afectada principalmente por la población de magnones incoherentes. Esto muestra que la espectroscopia óptica de polaritones en un sistema de este tipo se puede utilizar como un nuevo método para estudiar magnones incoherentes en cristales magnéticos.

Los excitones-polaritones mejoran las respuestas magnetoópticas en los cristales de van der Waals

En su estudio, el equipo ha demostrado que al utilizar la modificación de los niveles de energía en un sistema debido a excitones-polaritones, es posible mejorar la fuerza y ​​el ancho de banda espectral de las respuestas magnetoópticas en un cristal magnético vdW. Esta capacidad de ajuste demostrada de tales respuestas es muy prometedora para el desarrollo y estudio de nuevos interruptores y sensores magnetoópticos, entre otros.

"Dadas las fuertes interacciones entre el magnetismo y la luz observadas en nuestro estudio", explica Dirnberger, primer autor del estudio. Naturaleza papel. "Es posible que algún día los láseres magnéticos y los dispositivos de memoria magnética controlados totalmente ópticamente puedan revolucionar la tecnología magnetoóptica".

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/exciton-polaritons-enhance-magneto-optical-responses-in-van-der-waals-crystals/