eccitoni

Il legame tra luce e magnetismo nei materiali quantistici spessi appena pochi atomi sta aprendo una strada che fino a poco tempo fa sembrava fantascienza. Un gruppo di ricercatori del City College di New York ha messo insieme le tante scoperte recenti in questo campo, dove luce, carica elettrica e magnetismo non viaggiano più su binari separati ma si intrecciano dentro lo stesso materiale. Il risultato potrebbe cambiare il modo in cui pensiamo alle memorie ottiche, ai dispositivi quantistici e alle tecnologie fotoniche del futuro. Il lavoro arriva dal laboratorio di fotonica guidato dal fisico Vinod M. Menon, il LaNMP. La ricerca, pubblicata su Nature Materials con il titolo che parla di eccitoni nei materiali magnetici di van der Waals, raccoglie i progressi fatti con i cosiddetti semiconduttori magnetici a strati. Sono materiali particolari, dove la luce riesce a generare delle eccitazioni chiamate eccitoni che interagiscono direttamente con l'ordine magnetico e con onde magnetiche note come magnoni. Cosa succede quando luce e magnetismo si parlano Per capire il meccanismo serve una piccola premessa. Un eccitone si forma quando la luce colpisce un elettrone e lo mette in movimento, lasciandosi dietro una specie di buco carico positivamente. Elettrone e buco restano legati e formano una particella neutra che continua a interagire con la luce in modo molto forte. I magnoni invece sono onde collettive che attraversano la struttura magnetica ordinata di un materiale. Per anni gli scienziati hanno provato a unire le proprietà ottiche dei semiconduttori ricchi di eccitoni con il magnetismo. Le strade tentate prima erano due, aggiungere atomi magnetici ai semiconduttori oppure impilare semiconduttori sottilissimi sopra materiali magnetici. I semiconduttori magnetici di van der Waals offrono invece un approccio più diretto, perché dentro questi cristalli eccitoni e momenti magnetici nascono dagli stessi orbitali elettronici. Questa origine condivisa permette a luce e magnetismo di influenzarsi a vicenda dentro il materiale stesso. Come ha spiegato Pratap Chandra Adak, ricercatore nel gruppo di Menon e primo autore della review, in questi materiali luce e magnetismo non lavorano più come canali separati. Un eccitone non è solo una eccitazione passiva che se ne sta sopra il magnetismo, ma riesce a percepire l'ordine di spin e i magnoni e, nelle condizioni giuste, può perfino aiutare a controllare lo stato magnetico. Leggere gli stati magnetici con la luce La review passa in rassegna diverse piattaforme di materiali importanti, tra cui il tri ioduro di cromo, il nichel fosforo trisolfuro e il cromo zolfo bromuro. Lo studio di questi magneti bidimensionali ha rivelato vari modi in cui eccitoni e comportamento magnetico si influenzano. Gli eccitoni possono rafforzare parecchio gli effetti magneto ottici, così gli scienziati riescono a individuare gli stati magnetici osservando come cambia la polarizzazione della luce. L'ordine magnetico a sua volta può modificare l'energia degli eccitoni e influire su dove restano confinati dentro il materiale. Le interazioni tra eccitoni e magnoni collegano poi i segnali ottici all'attività magnetica che avviene a frequenze dell'ordine dei gigahertz. Nel testo si parla anche di polaritoni eccitonici, particelle ibride che mescolano proprietà della luce e della materia e riescono a trasportare informazione ottica attraverso un materiale. Menon, professore di fisica e autore senior, ha sottolineato che negli ultimi anni il campo è passato dal semplice rilevare il magnetismo nei cristalli sottili all'esplorare attivamente come l'ordine magnetico possa controllare le interazioni tra luce e materia. L'obiettivo dell'articolo, ha detto, è mettere questi sviluppi in un quadro coerente e capire dove il settore può andare adesso. Le possibili applicazioni e gli ostacoli ancora aperti I ricercatori indicano diverse applicazioni possibili, tutte legate a un controllo preciso di luce e magnetismo su scale piccolissime. Tra queste ci sono memorie magneto fotoniche e lettura dei dati, logica tutta ottica, dispositivi luminosi regolabili, laser magneto ottici e tecnologie basate sui polaritoni. Un'altra strada promettente riguarda i trasduttori quantistici, dispositivi che convertono i segnali tra frequenze a microonde e frequenze ottiche, una capacità che potrebbe diventare fondamentale per collegare i componenti nelle future reti quantistiche. Nonostante i passi avanti rapidi, buona parte di questo campo resta ancora tutta da esplorare. Molti materiali possibili non sono stati studiati nei dettagli e servono modelli teorici migliori, capaci di prevedere come si comportano insieme eccitoni, spin degli elettroni, vibrazioni del reticolo e fotoni quando interagiscono tutti nello stesso momento. Le ricerche future potrebbero concentrarsi sugli eccitoni magnetici moiré, sul controllo ottico delle strutture di spin, sui dispositivi magneto fotonici, sulla condensazione dei polaritoni eccitonici magnetici e sulla conversione dei segnali a microonde in segnali ottici per la comunicazione quantistica. Tra gli altri autori figurano Florian Dirnberger della Technical University di Monaco, Swagata Acharya del National Laboratory of the Rockies, Akashdeep Kamra della Rheinland Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern Landau e Xiaodong Xu della University of Washington. Il lavoro al CCNY è stato sostenuto da DARPA e dalla Gordon and Betty Moore Foundation.

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Materiali quantistici: quando luce e magnetismo si intrecciano