Мультяшное изображение индуцированного светом ферромагнетизма, который исследователи наблюдали в ультратонких листах диселенида и дисульфида вольфрама. Лазерный свет, показанный желтым цветом, возбуждает экситон — связанную пару электрона (синий) и связанный с ним положительный заряд, также известный как дырка (красный). Эта активность вызывает дальнодействующие обменные взаимодействия между другими дырками, захваченными внутри муаровой сверхрешетки, ориентируя их спины в том же направлении. Предоставлено: Си Ван/Вашингтонский университет.

Эксперимент, проведенный учеными из Университета Вашингтона и Университета Гонконга, был опубликован 20 апреля в журнале Nature .

По словам со-старшего автора Сяодун Сюй, заслуженного профессора Боинга в Университете Вашингтона на физическом факультете и факультете, управляя и выравнивая спины электронов с таким уровнем детализации и точности, эта платформа может найти применение в области квантового моделирования. материаловедения и инженерии.

«В этой системе мы можем использовать фотоны в основном для управления свойствами « основного состояния », такими как магнетизм, зарядов, захваченных внутри полупроводникового материала », — сказал Сюй, который также является научным сотрудником Института чистой энергии Университета Вашингтона и Молекулярной лаборатории. Институт инженерии и наук. «Это необходимый уровень контроля для разработки определенных типов кубитов — или «квантовых битов» — для квантовых вычислений и других приложений».

Сюй, чья исследовательская группа возглавила эксперименты, руководил исследованием вместе со старшим автором Ван Яо, профессором физики Гонконгского университета, чья команда работала над теорией, лежащей в основе результатов. Другими преподавателями Университета Вашингтона, участвовавшими в этом исследовании, являются соавторы Ди Сяо, профессор физики, материаловедения и инженерии Университета Вашингтона, который также занимает совместную должность в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, и Даниэль Гамелен, профессор химии и директор Университета Вашингтона. Центр материалов молекулярной инженерии.

Команда работала с ультратонкими пластинами — толщиной всего в три слоя атомов каждый — из диселенида и дисульфида вольфрама. Оба являются полупроводниковыми материалами, названными так потому, что электроны движутся через них со скоростью между полностью проводящим металлом и изолятором, с потенциальным использованием в фотонике и солнечных элементах. Исследователи сложили два листа друг над другом, чтобы сформировать «муаровую сверхрешетку» — многослойную структуру, состоящую из повторяющихся элементов.

Изображение сверху, полученное с помощью силовой микроскопии пьезоотклика, уложенных друг на друга слоев диселенида вольфрама и дисульфида вольфрама, образующих так называемую гетероструктуру. Треугольники обозначают повторяющиеся «единицы» муаровой сверхрешетки. Предоставлено: Си Ван/Вашингтонский университет.

Сложенные листы, подобные этим , являются мощными платформами для квантовой физики и исследования материалов, потому что структура сверхрешетки может удерживать экситоны на месте. Экситоны представляют собой связанные пары «возбужденных» электронов и связанных с ними положительных зарядов, и ученые могут измерить, как их свойства и поведение изменяются в различных конфигурациях сверхрешетки.

Исследователи изучали свойства экситонов в материале, когда сделали удивительное открытие: свет запускает ключевое магнитное свойство в обычно немагнитном материале. Фотоны, испускаемые лазером, «возбуждали» экситоны на пути лазерного луча, и эти экситоны индуцировали своего рода дальнодействующую корреляцию между другими электронами, причем все их спины были ориентированы в одном направлении.

«Это как если бы экситоны внутри сверхрешетки начали «разговаривать» с пространственно разделенными электронами», — сказал Сюй. «Затем с помощью экситонов электроны установили обменные взаимодействия, образуя так называемое «упорядоченное состояние» с выровненными спинами».

Выравнивание спинов, которое исследователи наблюдали в сверхрешетке, является характеристикой ферромагнетизма, формы магнетизма, присущей таким материалам, как железо. Обычно он отсутствует в диселениде и дисульфиде вольфрама. По словам Сюй, каждая повторяющаяся единица сверхрешетки муара действует как квантовая точка, «захватывающая» спин электрона. Захваченные электронные спины , которые могут «разговаривать» друг с другом, были предложены в качестве основы для типа кубита, базовой единицы для квантовых компьютеров, которые могли бы использовать уникальные свойства квантовой механики для вычислений.

В отдельной статье, опубликованной 25 ноября в журнале Science , Сюй и его сотрудники обнаружили новые магнитные свойства в муаровых сверхрешетках, образованных ультратонкими листами трииодида хрома. В отличие от диселенида и дисульфида вольфрама, трииодид хрома обладает присущими ему магнитными свойствами даже в виде единого атомного листа.. Сложенные слои трииодида хрома сформировали чередующиеся магнитные домены: один ферромагнитный — со всеми спинами, выровненными в одном направлении — и другой, «антиферромагнитный», где спины направлены в противоположных направлениях между соседними слоями сверхрешетки и по существу «компенсируют друг друга». ", по словам Сюй. Это открытие также проливает свет на взаимосвязь между структурой материала и его магнетизмом, что может способствовать будущим достижениям в области вычислений, хранения данных и других областях.

«Он показывает вам магнитные «сюрпризы», которые могут скрываться в муаровых сверхрешетках, образованных двумерными квантовыми материалами», — сказал Сюй. «Никогда нельзя быть уверенным, что найдешь, если не посмотришь».

Первым автором статьи в Nature является Си Ван, исследователь UW в области физики и химии. Другими соавторами являются Chengxin Xiao из Университета Гонконга; докторанты физики Университета Вашингтона Хеонджун Пак и Цзяи Чжу; Чонг Ван, исследователь UW в области материаловедения и инженерии; Такаси Танигути и Кенджи Ватанабэ из Национального института материаловедения Японии; и Цзяцян Ян из Окриджской национальной лаборатории.