City College of New York'taki araştırmacılar, yalnızca birkaç atom kalınlığındaki malzemelere odaklanan ve hızla büyüyen bir kuantum bilimi alanının haritasını çıkarıyor. Bu sistemlerde ışık, elektrik yükü ve manyetizma birbirinden bağımsız davranmak yerine sıkı sıkıya bağlantılı hale geliyor.
Çalışma, fizikçi Vinod M. Menon'un Nano ve Mikro Fotonik Laboratuvarı'ndan (LaNMP) geliyor. Araştırmacılar, bu sıra dışı etkileşimlerin ileride ışık, yük ve elektron dönüşünü bir arada kullanabilen gelişmiş optoelektronik cihazlara ve kuantum teknolojilerine destek olabileceğini düşünüyor.
Işık ve Manyetizma Etkileşime Girdiğinde
Nature Materials dergisinde yayımlanan 'Van der Waals Manyetik Malzemelerinde Eksitonlar' başlıklı bir incelemede araştırmacılar, katmanlı manyetik yarı iletkenlerdeki son gelişmeleri ele alıyor. Bu malzemeler, ışıkla oluşturulan eksiton adı verilen uyarılmaların manyetik düzenle ve magnon adı verilen manyetik dalgalarla etkileşime girmesine olanak tanıyor.
Bir eksiton, gelen ışığın bir elektronu enerjilendirip hareket ettirmesi ve geride pozitif yüklü bir 'boşluk' bırakmasıyla oluşuyor. Elektron ve boşluk birbirine bağlı kalarak, yine de ışıkla güçlü bir şekilde etkileşime girebilen elektriksel olarak nötr bir parçacık meydana getiriyor. Magnonlar ise farklı. Bunlar, bir malzemenin düzenli manyetik yapısı boyunca ilerleyen kolektif dalgalar.
Bilim insanları yıllardır eksiton bakımından zengin yarı iletkenlerin optik özelliklerini manyetizmayla birleştirmeye çalışıyordu. Daha önceki stratejiler arasında yarı iletkenlere manyetik atomlar eklemek veya atomik incelikteki yarı iletkenleri manyetik malzemelerin üzerine istiflemek yer alıyordu.
Van der Waals manyetik yarı iletkenleri daha doğrudan bir yaklaşım sunuyor. Bu kristallerin içinde eksitonlar ve manyetik momentler aynı elektronik orbitallerden ortaya çıkabiliyor. Bu ortak köken, ışık ve manyetizmanın malzemenin kendi içinde birbirini etkilemesine olanak tanıyor.
Menon'un grubunda doktora sonrası araştırmacı ve incelemenin baş yazarı olan Pratap Chandra Adak, 'Bu malzemelerde ışık ve manyetizma artık ayrı kanallar olarak çalışmıyor. Bir eksiton, manyetizmanın üzerinde oturan pasif, ışıkla çalışan bir uyarılma değil. Spin düzenini ve magnonları algılayabiliyor ve doğru koşullar altında manyetik durumun kendisini kontrol etmeye bile yardımcı olabiliyor' dedi.
Manyetik Durumları Işıkla Okumak
İnceleme, krom triiyodür, nikel fosfor trisülfür ve krom sülfür bromür dahil olmak üzere birkaç önemli malzeme platformunu inceliyor. Bu iki boyutlu mıknatıslar üzerine yapılan araştırmalar, eksitonlar ve manyetik davranışın birbirini etkileyebileceği çeşitli yolları ortaya çıkardı.
Eksitonlar, manyeto-optik etkileri önemli ölçüde güçlendirerek bilim insanlarının ışığın polarizasyonundaki değişiklikleri gözlemleyerek manyetik durumları belirlemesine olanak tanıyabiliyor. Manyetik düzen ayrıca eksitonların enerjisini değiştirebiliyor ve bir malzeme içinde nerede sıkıştıklarını etkileyebiliyor.
Eksitonlar ve magnonlar arasındaki etkileşimler, optik sinyalleri gigahertz frekanslarında meydana gelen manyetik aktiviteye bağlayabiliyor. Araştırmacılar ayrıca ışık ve maddenin özelliklerini birleştiren ve optik bilgiyi bir malzeme boyunca taşıyabilen hibrit parçacıklar olan eksiton polaritonları da tartışıyor.
Fizik profesörü ve incelemenin kıdemli yazarı Menon, 'Son birkaç yılda bu alan, atomik incelikteki kristallerde manyetizmayı tespit etmekten, manyetik düzenin ışık-madde etkileşimlerini nasıl kontrol edebileceğini aktif olarak araştırmaya doğru ilerledi. Bu makalenin amacı, bu gelişmeleri tutarlı bir çerçeveye oturtmak ve alanın bundan sonra nereye gidebileceğini belirlemek' dedi.
Kuantum Teknolojisi İçin Yeni Olanaklar
Araştırmacılar, ışık ve manyetizmanın son derece küçük ölçeklerde hassas bir şekilde kontrol edilmesine bağlı olacak birkaç potansiyel uygulama belirledi. Bunlar arasında manyeto-fotonik bellek ve veri okuma, tamamen optik mantık, ayarlanabilir ışık yayan cihazlar, manyeto-optik lazerler ve polaritonik teknolojiler yer alıyor.
Bir diğer umut verici uygulama ise kuantum dönüştürücüler. Bu cihazlar sinyalleri mikrodalga ve optik frekanslar arasında dönüştürüyor ve bu yetenek, gelecekteki kuantum ağlarında bileşenleri birbirine bağlamak için önemli hale gelebilir.
Önemli Bilimsel Zorluklar Devam Ediyor
Hızlı ilerlemeye rağmen, bu alanın büyük bir kısmı hâlâ keşfedilmemiş durumda. Olası birçok malzeme henüz ayrıntılı olarak incelenmedi ve bilim insanlarının hâlâ eksitonların, elektron dönüşlerinin, kafes titreşimlerinin ve fotonların aynı anda etkileşime girdiklerinde nasıl davrandıklarını tahmin edebilecek daha iyi teorik modellere ihtiyacı var.
Gelecekteki araştırmalar, moiré manyetik eksitonları, spin dokularının optik kontrolü, manyeto-fotonik cihazlar, manyetik eksiton polariton yoğunlaşması ve kuantum iletişimi için mikrodalga sinyallerinin optik sinyallere dönüştürülmesini inceleyebilir.
Diğer ortak yazarlar arasında Münih Teknik Üniversitesi'nden Florian Dirnberger; Kayalıklar Ulusal Laboratuvarı'ndan Swagata Acharya; Rheinland-Pfalz Teknik Üniversitesi Kaiserslautern-Landau'dan Akashdeep Kamra ve Washington Üniversitesi'nden Xiaodong Xu yer alıyor.
CCNY'deki çalışma DARPA ve Gordon ve Betty Moore Vakfı tarafından desteklendi.
