Pesquisadores do City College de Nova York estão planejando um campo de ciência quântica em rápido desenvolvimento, centrado em materiais com apenas alguns átomos de espessura. Nestes sistemas, a luz, a carga elétrica e o magnetismo estão fortemente acoplados, em vez de se comportarem de forma independente.
O trabalho foi feito pelo Laboratório de Nano e Microfotônica do físico Vinod M. Menon (LaNMP). Os pesquisadores acreditam que essas interações incomuns poderiam eventualmente apoiar dispositivos optoeletrônicos avançados e tecnologias quânticas que manipulam a luz, a carga e a rotação do elétron juntos.
Quando a luz e o magnetismo interagem
Na resenha publicada em Materiais da naturezaintitulado Excitons in Van der Waals Magnetic Materials, os pesquisadores analisam os avanços recentes em semicondutores magnéticos em camadas. Esses materiais permitem que excitações criadas pela luz, chamadas excitons, interajam com a ordem magnética e com ondas magnéticas conhecidas como magnons.
Um exciton é formado quando a luz que chega carrega um elétron e faz com que ele se mova, deixando para trás um “buraco” carregado positivamente. O elétron e o buraco permanecem ligados, formando uma partícula eletricamente neutra que ainda pode interagir fortemente com a luz. Magnons são diferentes. São ondas coletivas que se movem através da estrutura magnética organizada do material.
Os cientistas tentaram durante anos combinar as propriedades ópticas de semicondutores ricos em excitons com o magnetismo. As estratégias anteriores envolviam a adição de átomos magnéticos a semicondutores ou a sobreposição de semicondutores atomicamente finos em materiais magnéticos.
Os semicondutores magnéticos Van der Waals fornecem uma abordagem mais direta. Nestes cristais, excitons e momentos magnéticos podem surgir dos mesmos orbitais eletrônicos. Esta origem comum permite que a luz e o magnetismo se influenciem dentro do próprio material.
“Nestes materiais, a luz e o magnetismo já não funcionam como canais separados”, disse Pratap Chandra Adak, pós-doutorando no grupo de Menon e autor principal da Review. “O exciton não é apenas uma excitação passiva movida pela luz situada sobre o magnetismo. Ele pode detectar o spin e a ordem do magnon e, nas condições certas, até ajuda a controlar o próprio 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 brometos de cromo e enxofre. Estudos desses ímãs bidimensionais mostraram várias maneiras de influenciar os excitons e o comportamento magnético.
Os excitons podem melhorar muito os efeitos magneto-ópticos, permitindo aos cientistas identificar estados magnéticos observando mudanças na polarização da luz. A ordem magnética também pode alterar a energia dos excitons e afetar a localização deles no material.
As interações entre excitons e magnons podem acoplar sinais ópticos à atividade magnética que ocorre em frequências gigahertz. Os pesquisadores também estão discutindo polaritons excitônicos, partículas híbridas que combinam as propriedades da luz e da matéria e podem transportar informações ópticas através do material.
“Ao longo dos últimos anos, o campo passou da detecção do magnetismo em cristais atomicamente finos para a exploração activa de como a ordem magnética pode controlar a interacção da luz e da matéria,” disse Menon, professor de física e autor sénior da Review. “O objetivo deste artigo é reunir esses desenvolvimentos em uma estrutura coerente e identificar onde o campo pode ir a seguir.”
Novas possibilidades para tecnologias quânticas
Os investigadores identificam várias aplicações potenciais que dependerão do controlo preciso da luz e do magnetismo em escalas muito pequenas. Isso inclui memória magneto-fóton e leitura de dados, lógica totalmente óptica, dispositivos emissores de luz sintonizáveis, lasers magneto-ópticos e tecnologias polariton.
Outra aplicação promissora envolve transdutores quânticos. Esses dispositivos convertem sinais entre frequências de micro-ondas e ópticas, capacidade que pode ser importante para conectar componentes em futuras redes quânticas.
Os principais problemas científicos permanecem
Apesar do rápido progresso, grande parte deste campo permanece inexplorado. Muitos materiais 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 simultaneamente.
Pesquisas futuras podem explorar excitons magnéticos moiré, controle óptico de texturas de spin, dispositivos magnetofotônicos, condensação polariton de excitons magnéticos e conversão de sinais de microondas em sinais ópticos para 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 Kaiserslautern-Landau; e Xiaodong Xu, da Universidade de Washington.
O trabalho na CCNY foi apoiado pela DARPA e pela Fundação Gordon e Betty Moore.
