Todos los imanes, desde los simples recuerdos que cuelgan de su refrigerador hasta los discos que le dan memoria a su computadora y las poderosas versiones que se usan en los laboratorios de investigación, contienen cuasipartículas giratorias llamadas magnones. La dirección de giro de un magnón puede influir en la de su vecino, lo que afecta el giro de su vecino, y así sucesivamente, produciendo lo que se conoce como ondas de giro. La información se puede transmitir potencialmente a través de ondas de espín de manera más eficiente que con la electricidad, y los magnones pueden servir como "interconexiones cuánticas" que "pegan" bits cuánticos en computadoras poderosas.

Los magnones tienen un potencial enorme, pero a menudo son difíciles de detectar sin piezas voluminosas de equipo de laboratorio. Tales configuraciones están bien para realizar experimentos, pero no para desarrollar dispositivos, dijo el investigador de Columbia Xiaoyang Zhu, como dispositivos magnónicos y la llamada espintrónica. Sin embargo, ver magnones se puede hacer mucho más simple con el material adecuado:un semiconductor magnético llamado bromuro de sulfuro de cromo (CrSBr) que se puede pelar en capas 2D del grosor de un átomo, sintetizado en el laboratorio del profesor del Departamento de Química Xavier Roy.

En un nuevo artículo en Nature , Zhu y colaboradores de Columbia, la Universidad de Washington, la Universidad de Nueva York y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge muestran que los magnones en CrSBr pueden emparejarse con otra cuasipartícula llamada excitón, que emite luz, lo que ofrece a los investigadores un medio para "ver" el cuasipartícula giratoria.

Mientras perturbaban los magnones con luz, observaron oscilaciones de los excitones en el rango del infrarrojo cercano, que es casi visible a simple vista. "Por primera vez, podemos ver magnones con un simple efecto óptico", dijo Zhu.

Los resultados pueden verse como una transducción cuántica, o la conversión de un "cuanto" de energía en otro, dijo el primer autor Youn Jun (Eunice) Bae, un postdoctorado en el laboratorio de Zhu. La energía de los excitones es cuatro órdenes de magnitud mayor que la de los magnones; ahora, debido a que se emparejan con tanta fuerza, podemos observar fácilmente pequeños cambios en los magnones, explicó Bae. Esta transducción puede permitir algún día a los investigadores construir redes de información cuántica que puedan tomar información de bits cuánticos basados ​​en espín, que generalmente deben ubicarse a milímetros entre sí, y convertirla en luz, una forma de energía que puede transferir información hacia arriba. a cientos de millas a través de fibras ópticas

El tiempo de coherencia, cuánto tiempo pueden durar las oscilaciones, también fue notable, dijo Zhu, que duró mucho más que el límite de cinco nanosegundos del experimento. El fenómeno podría viajar más de siete micrómetros y persistir incluso cuando los dispositivos CrSBr estuvieran hechos de solo dos capas del espesor de un átomo, lo que aumenta la posibilidad de construir dispositivos espintrónicos a nanoescala. Estos dispositivos podrían algún día ser alternativas más eficientes a la electrónica actual. A diferencia de los electrones en una corriente eléctrica que encuentran resistencia a medida que viajan, en realidad ninguna partícula se mueve en una onda de espín.

A partir de aquí, los investigadores planean explorar el potencial de información cuántica de CrSBr, así como otros materiales candidatos. "En MRSEC y EFRC, estamos explorando las propiedades cuánticas de varios materiales 2D que se pueden apilar como papeles para crear todo tipo de nuevos fenómenos físicos", dijo Zhu.

Por ejemplo, si se puede encontrar un acoplamiento magnón-excitón en otros tipos de semiconductores magnéticos con propiedades ligeramente diferentes a las del CrSBr, es posible que emitan luz en una gama más amplia de colores.

"Estamos ensamblando la caja de herramientas para construir nuevos dispositivos con propiedades personalizables", agregó Zhu. + Explora más

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