Исследуемый образец.
( A ) Схема монослоя WSe ₂ , инкапсулированного hBN, с верхним затвором и контактами FLG. Оптическая накачка и зонд пространственно разделены.
( B ) Оптическое микроскопическое изображение образца D1.
( C ) Зависящие от затвора спектры отражения образца WSe ₂ . Элементы экситонного резонанса помечены соответствующим образом а.е., условные единицы.
( D ) Спектры отражения σ + и σ − при 0,5 В, где хорошо разрешены синглетные и триплетные особенности триона. Вставка: конфигурации синглетных и триплетных трионов, показывающие сбалансированное заселение долин. Сплошные и пунктирные полосы указывают на упорядочение спинов.
( Е ) σ +спектры отражения σ − при 0,5 В ( n _e ~2 × 10 ¹² см ⁻² ) при σ + накачке. Вставка: Схема синглетных и триплетных трионов в спин-поляризованной электронной ванне с оптической накачкой.
( F ) спектры КД при σ + и σ − накачке. Отметим, что T = 4 K, мощность накачки 7,8 мкВт, смещение накачки-зонда 8 мкм.
Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abq7650

В тонких двумерных полупроводниках электроны движутся, вращаются и синхронизируются необычным образом. Для исследователей понимание того, как эти электроны исполняют свои замысловатые танцы, и умение манипулировать их хореографией не только позволяет им ответить на фундаментальные физические вопросы, но и может дать новые типы схем и устройств.

Одна коррелированная фаза, которую могут принять такие электроны, — это магнитный порядок, в котором они выравнивают свой спин в одном и том же направлении. Традиционно возможности управления магнитным порядком в двумерном полупроводнике были ограничены; ученые использовали громоздкие внешние магнитные поля, которые ограничивают технологическую интеграцию и потенциально скрывают интересные явления.

Теперь исследователи из Притцкеровской школы молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета обнаружили, как использовать наноразмерные маломощные лазерные лучи для точного управления магнетизмом внутри двумерного полупроводника. Их подход, описанный онлайн в журнале Science Advances, имеет значение как для изучения появления коррелированной фазы, так и для разработки новых оптоэлектронных и спинтронных устройств.

«Тот факт, что теперь мы можем использовать свет для манипулирования электронами таким образом, означает, что у нас есть беспрецедентный контроль над этим магнитным порядком», — сказал Асст. Профессор Алекс Хай, старший автор новой работы.

Управляемые магниты

Лаборатория Хай сосредоточилась на дихалькогенидах переходных металлов (TMD), семействе полупроводников, которые можно расслоить на отдельные двумерные чешуйки толщиной всего в три атома. Ученые ранее предполагали, что электроны внутри TMD могут принимать коррелированную фазу, когда их спины выровнены в одном направлении, чтобы снизить энергию системы — эту ферромагнитную фазу мы в просторечии называем магнетизмом. Однако создать или смоделировать этот переход в коррелированное состояние было сложно.

Хай давно интересовался тем, как можно контролировать свет и, в свою очередь, изменять состояние материи. Его команда задавалась вопросом, можно ли вместо внешних магнитных полей использовать крошечные лучи света для создания коррелированной магнитной фазы. Они нацелили точно сфокусированный лазерный луч диаметром менее микрона (одной тысячной миллиметра) на однослойный TMD. Они запускали лазер на наносекунды, а также контролировали TMD с помощью оптического зонда, который позволял им отслеживать активность его электронов.

Зонд показал, что пульсирующий лазер влияет на спиновую поляризацию электронов в пределах области размером 5 на 8 микрон TMD, распространяя коррелированную фазу наружу от лазера. Другими словами, электроны выравнивали свой спин; исследователи могли контролировать магнитный порядок электронов в крошечной области.

«Эта новая техника дает нам удобный способ манипулировать электронной корреляцией, делая изучение коррелированных фаз гораздо более практичным, чем это было в прошлом», — сказал постдокторант Кай Хао, соавтор статьи.

«Одна из вещей, которая делает это действительно привлекательным, — это довольно прямолинейный характер», — сказал аспирант Эндрю Киндсет, который также внес свой вклад в новую работу. «Во многих отношениях это так же просто, как просто направить на этот материал лазер с круговой поляризацией».

Новая исследовательская платформа

По словам исследователей, новый метод управления магнетизмом в атомарно тонких полупроводниках предлагает отправную точку для множества новых исследований.

Предполагается, что помимо магнитных фаз системы TMD образуют более экзотические коррелированные электронные фазы, такие как кристаллы Вигнера, волны плотности заряда, состояния Мотта и сверхпроводимость. Возможность локально манипулировать электронными спинами в TMD в сверхкоротких временных масштабах и с наноразмерной точностью может предоставить ранее недоступную информацию, которая в дальнейшем поможет теоретическому изучению этих экзотических фаз.

Что касается приложений, существует острая потребность в новых оптоэлектронных и спинтронных устройствах, чтобы соответствовать стремительному росту информационной индустрии. Демонстрация эффективного оптического управления порядком вращения имеет большой потенциал для приложений устройств. Непосредственные результаты включают в себя создание встроенных источников вращения, настраиваемых оптических изоляторов и эффективных разветвителей в схемах спинтроники.

«Возможность оптически манипулировать магнитной памятью и генерировать спиновое усиление в TMD — материалах, широко изучаемых для технологий следующего поколения — будет толкать оптоэлектронику и спинтронику в новых направлениях», — сказал аспирант Роберт Шрайнер, соавтор статьи.