Para peneliti di City College of New York sedang mempelajari bidang ilmu kuantum yang sedang berkembang, dengan fokus pada material yang tebalnya hanya beberapa atom. Dalam sistem ini, cahaya, muatan listrik, dan magnet saling berkaitan erat dan tidak berdiri sendiri-sendiri.
Karya tersebut berasal dari Laboratorium Nano dan Mikro Fotonik (LaNMP) fisikawan Vinod M. Menon. Para peneliti percaya bahwa interaksi yang tidak biasa ini pada akhirnya dapat mendukung perangkat optoelektronik canggih dan teknologi kuantum yang bersama-sama memanipulasi cahaya, muatan, dan putaran elektron.
Ketika cahaya dan magnet berinteraksi
Dalam ulasan yang diterbitkan di Bahan alamiberjudul “Eksitasi dalam bahan magnetik van der Waals,” para peneliti meneliti kemajuan terbaru dalam semikonduktor magnetik berlapis. Bahan-bahan ini memungkinkan eksitasi yang dihasilkan oleh cahaya, yang disebut eksiton, berinteraksi dengan tatanan magnet dan dengan gelombang magnet yang disebut magnon.
Sebuah eksiton terbentuk ketika cahaya yang masuk memberi energi pada elektron dan menyebabkannya bergerak, meninggalkan “lubang” yang bermuatan positif. Elektron dan lubang tetap terikat, membentuk partikel netral secara elektrik yang masih dapat berinteraksi kuat dengan cahaya. Magnon berbeda. Ini adalah gelombang kolektif yang melewati struktur magnetik suatu material yang terorganisir.
Para ilmuwan telah menghabiskan waktu bertahun-tahun untuk mencoba menyatukan sifat optik semikonduktor kaya eksiton dengan magnet. Strategi sebelumnya termasuk menambahkan atom magnetik ke semikonduktor atau menumpuk semikonduktor yang memiliki atom tipis di atas bahan magnetik.
Semikonduktor magnetik Van der Waals menawarkan pendekatan yang lebih langsung. Di dalam kristal ini, rangsangan dan momen magnet dapat muncul dari orbital elektronik yang sama. Asal usul yang sama ini memungkinkan cahaya dan magnet saling mempengaruhi di dalam material itu sendiri.
“Dalam material ini, cahaya dan magnet tidak lagi berfungsi sebagai saluran terpisah,” kata Pratap Chandra Adak, peneliti pascadoktoral di kelompok Menon dan penulis utama tinjauan tersebut. “Sebuah eksiton bukan sekadar eksitasi pasif yang ditenagai oleh cahaya dan ditempatkan di atas magnet. Ia dapat mendeteksi tatanan rotasi dan magnon dan, dalam kondisi yang tepat, bahkan membantu mengendalikan keadaan magnet itu sendiri.”
Baca keadaan magnet dengan cahaya
Tinjauan tersebut mengkaji beberapa platform material penting, termasuk kromium triiodida, nikel-fosfor trisulfida, dan kromium-sulfur bromida. Penelitian terhadap magnet dua dimensi ini telah mengungkapkan beberapa cara di mana rangsangan dan perilaku magnet dapat saling mempengaruhi.
Rangsangan dapat secara signifikan meningkatkan efek magneto-optik, memungkinkan para ilmuwan mengidentifikasi keadaan magnetik dengan mengamati perubahan polarisasi cahaya. Tatanan magnet juga dapat mengubah energi rangsangan dan pengaruhnya di mana mereka terkurung dalam suatu material.
Interaksi antara eksiton dan magnon dapat menghubungkan sinyal optik dengan aktivitas magnet yang terjadi pada frekuensi gigahertz. Para peneliti juga membahas polariton eksiton, partikel hibrida yang menggabungkan sifat cahaya dan materi serta dapat membawa informasi optik melalui suatu material.
“Dalam beberapa tahun terakhir, bidang ini telah beralih dari mendeteksi magnetisme pada kristal yang atomnya tipis menjadi secara aktif mengeksplorasi bagaimana tatanan magnet dapat mengendalikan interaksi materi cahaya,” kata Menon, profesor fisika dan penulis utama Journal. “Tujuan dari artikel ini adalah untuk menyatukan perkembangan-perkembangan ini ke dalam kerangka kerja yang koheren dan mengidentifikasi arah masa depan dalam bidang ini.”
Kemungkinan baru untuk teknologi kuantum
Para peneliti mengidentifikasi beberapa penerapan potensial yang bergantung pada pengendalian cahaya dan magnet secara tepat pada skala yang sangat kecil. Ini termasuk memori magneto-fotonik dan pembacaan data, logika serba optik, perangkat pemancar cahaya yang dapat disetel, laser magneto-optik, dan teknologi polaritonik.
Aplikasi lain yang menjanjikan adalah transduser kuantum. Perangkat ini mengubah sinyal antara frekuensi gelombang mikro dan optik, suatu kemampuan yang mungkin menjadi penting untuk menghubungkan komponen jaringan kuantum masa depan.
Tantangan ilmiah yang besar masih ada
Meskipun terdapat kemajuan pesat, sebagian besar wilayah ini masih belum dijelajahi. Banyak kemungkinan material yang belum dipelajari secara rinci, dan para ilmuwan masih memerlukan model teoritis yang lebih baik yang dapat memprediksi perilaku rangsangan, putaran elektron, getaran kisi, dan foton ketika mereka berinteraksi pada waktu yang sama.
Penelitian di masa depan dapat mempelajari rangsangan magnetik moiré, kontrol optik tekstur putaran, perangkat magneto-fotonik, kondensasi polariton dari rangsangan magnetik, dan konversi sinyal gelombang mikro menjadi sinyal optik untuk komunikasi kuantum.
Rekan penulis lainnya termasuk Florian Dirnberger dari Technical University of Munich; Swagata Acharya dari Laboratorium Nasional Rocky Mountain; Akashdeep Kamra dari Universitas Teknik Rhineland-Pfälzische Kaiserslautern-Landau; dan Xiaodong Xu dari Universitas Washington.
Pekerjaan di CCNY didukung oleh DARPA dan Gordon and Betty Moore Foundation.
