Los investigadores han descubierto que la luz, en forma de láser, puede desencadenar una forma de magnetismo en un material normalmente no magnético. Este magnetismo se centra en el comportamiento de los electrones. Estas partículas subatómicas tienen una propiedad electrónica llamada "spin", que tiene una aplicación potencial en la computación cuántica. Los investigadores encontraron que los electrones dentro del material se orientaron en la misma dirección cuando fueron iluminados por fotones de un láser.

El experimento, dirigido por científicos de la Universidad de Washington y la Universidad de Hong Kong, se publicó el 20 de abril en Nature .

Al controlar y alinear los giros de los electrones con este nivel de detalle y precisión, esta plataforma podría tener aplicaciones en el campo de la simulación cuántica, según el coautor principal Xiaodong Xu, profesor distinguido de Boeing en el Departamento de Física de la UW y el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

"En este sistema, podemos usar fotones esencialmente para controlar las propiedades del 'estado fundamental', como el magnetismo, de las cargas atrapadas dentro del material semiconductor", dijo Xu, quien también es investigador de la facultad en el Instituto de Energía Limpia de la UW y el Molecular Instituto de Ingeniería y Ciencias. "Este es un nivel de control necesario para desarrollar ciertos tipos de qubits, o 'bits cuánticos', para la computación cuántica y otras aplicaciones".

Xu, cuyo equipo de investigación encabezó los experimentos, dirigió el estudio con el coautor principal Wang Yao, profesor de física en la Universidad de Hong Kong, cuyo equipo trabajó en la teoría que sustenta los resultados. Otros miembros de la facultad de la UW involucrados en este estudio son los coautores Di Xiao, profesor de física y de ciencia e ingeniería de materiales de la UW que también tiene una cita conjunta en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, y Daniel Gamelin, profesor de química de la UW y director. del Centro de Materiales de Ingeniería Molecular.

El equipo trabajó con láminas ultrafinas, cada una con un grosor de solo tres capas de átomos, de diseleniuro de tungsteno y disulfuro de tungsteno. Ambos son materiales semiconductores, llamados así porque los electrones se mueven a través de ellos a una velocidad entre la de un metal totalmente conductor y la de un aislante, con usos potenciales en fotónica y células solares. Los investigadores apilaron las dos hojas para formar una "superred de muaré", una estructura apilada formada por unidades que se repiten.

Hojas apiladas como estas son plataformas poderosas para la física cuántica y la investigación de materiales porque la estructura de superred puede mantener los excitones en su lugar. Los excitones son pares unidos de electrones "excitados" y sus cargas positivas asociadas, y los científicos pueden medir cómo cambian sus propiedades y comportamiento en diferentes configuraciones de superred.

Los investigadores estaban estudiando las propiedades de los excitones dentro del material cuando hicieron el sorprendente descubrimiento de que la luz desencadena una propiedad magnética clave dentro del material normalmente no magnético. Los fotones proporcionados por el láser "excitaron" los excitones dentro de la trayectoria del rayo láser, y estos excitones indujeron un tipo de correlación de largo alcance entre otros electrones, con todos sus espines orientados en la misma dirección.

"Es como si los excitones dentro de la superred hubieran comenzado a 'hablar' con electrones espacialmente separados", dijo Xu. "Luego, a través de excitones, los electrones establecieron interacciones de intercambio, formando lo que se conoce como un 'estado ordenado' con espines alineados".

La alineación de espín que los investigadores observaron dentro de la superred es una característica del ferromagnetismo, la forma de magnetismo intrínseco a materiales como el hierro. Normalmente está ausente en el diseleniuro de tungsteno y el disulfuro de tungsteno. Cada unidad repetitiva dentro de la superred de muaré actúa esencialmente como un punto cuántico para "atrapar" un espín de electrones, dijo Xu. Los espines de electrones atrapados que pueden "hablar" entre sí, como estos pueden, se han sugerido como la base para un tipo de qubit, la unidad básica para las computadoras cuánticas que podría aprovechar las propiedades únicas de la mecánica cuántica para la computación.

En un artículo separado publicado el 25 de noviembre en Science , Xu y sus colaboradores encontraron nuevas propiedades magnéticas en superredes de muaré formadas por láminas ultrafinas de triyoduro de cromo. A diferencia del diseleniuro de tungsteno y el disulfuro de tungsteno, el triyoduro de cromo alberga propiedades magnéticas intrínsecas, incluso como una sola lámina atómica. Las capas de triyoduro de cromo apiladas formaron dominios magnéticos alternos:uno que es ferromagnético, con espines todos alineados en la misma dirección, y otro que es "antiferromagnético", donde los espines apuntan en direcciones opuestas entre las capas adyacentes de la superred y esencialmente "se cancelan entre sí". ", según Xu. Ese descubrimiento también ilumina las relaciones entre la estructura de un material y su magnetismo que podrían impulsar futuros avances en computación, almacenamiento de datos y otros campos.

"Te muestra las 'sorpresas' magnéticas que pueden estar escondidas dentro de las superredes muaré formadas por materiales cuánticos 2D", dijo Xu. "Nunca puedes estar seguro de lo que encontrarás a menos que busques".

Primer autor de la Naturaleza El artículo es Xi Wang, investigador postdoctoral en física y química de la Universidad de Washington. Otros coautores son Chengxin Xiao de la Universidad de Hong Kong; los estudiantes de doctorado en física de la UW, Heonjoon Park y Jiayi Zhu; Chong Wang, investigador de la UW en ciencia e ingeniería de materiales; Takashi Taniguchi y Kenji Watanabe del Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón; y Jiaqiang Yan en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. + Explora más

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