Un importante desafío de investigación en el campo de la nanotecnología es encontrar formas eficientes de controlar la luz, una capacidad esencial para la obtención de imágenes de alta resolución, los biosensores y los teléfonos móviles. Debido a que la luz es una onda electromagnética que no lleva carga en sí misma, es difícil manipularla con voltaje o un campo magnético externo. Para resolver este desafío, los ingenieros han encontrado formas indirectas de manipular la luz utilizando las propiedades de los materiales en los que se refleja la luz. Sin embargo, el desafío se vuelve aún más difícil en la nanoescala, ya que los materiales se comportan de manera diferente en estados atómicamente delgados.

Deep Jariwala, profesor asistente de ingeniería eléctrica y de sistemas, y sus colegas han descubierto una propiedad magnética en los materiales antiferromagnéticos que permite la manipulación de la luz en la nanoescala y, al mismo tiempo, vincula el material semiconductor con el magnetismo, una brecha que los científicos han estado tratando de salvar. por décadas. Describieron sus hallazgos en un estudio reciente publicado en Nature Photonics .

En colaboración con Liang Wu, profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía de la Escuela de Artes y Ciencias de Penn, junto con los estudiantes graduados Huiqin Zhang, estudiante de doctorado en el laboratorio de Jariwala, y Zhuoliang Ni, estudiante de doctorado en el laboratorio de Wu, los investigadores describen la propiedad magnética de FePS3, un material semiconductor antiferromagnético. Christopher Stevens y Joshua Hendrickson del Air Force Research Laboratory y KBR, Inc. en Ohio, así como Aofeng Bai y Frank Peiris en Kenyon College en Ohio también contribuyeron a este trabajo.

"La investigación de nuestro laboratorio se centra en encontrar nuevos materiales para la electrónica, las computadoras, el almacenamiento de información y la recolección y conversión de energía", dice Jariwala. "La clase de materiales que examinamos son materiales van der Waals bidimensionales atómicamente delgados y, más específicamente, aquellos que son semiconductores".

Los materiales magnéticos se clasifican como ferromagnéticos o antiferromagnéticos. Los antiferroimanes son materiales que contienen líneas de electrones que giran en una dirección junto a líneas de electrones que giran en la dirección opuesta, cancelando cualquier fuerza de atracción o repulsión típica de los imanes, mientras que los ferroimanes son aquellos con electrones que giran en la misma dirección y producen su propia campo magnético.

El material antiferromagnético utilizado en este estudio, FePS3, o trisulfuro de fósforo y hierro, es un semiconductor con propiedades ópticas únicas que dependen de la alineación de la dirección de espín de sus electrones.

"Teóricamente, al aplicar un campo magnético externo a este semiconductor 2D antiferromagnético, podemos alterar sus propiedades ópticas", dice Jariwala. "Y así es como se usa una propiedad magnética para manipular la luz. Habiendo establecido el vínculo entre el magnetismo y la manipulación de la luz, estamos entrando en el campo de la 'magnetofotónica', un área de investigación que creo que se expandirá enormemente en los próximos cinco a diez años."

El documento no solo describe el uso de las propiedades magnéticas del material para controlar la luz, sino que también destaca que también hay una propiedad física del material involucrado.

“También encontramos que para espesores específicos este material antiferromagnético actúa como una cavidad que mejora significativamente su interacción con la luz y su alteración con la propiedad magnética”, dice Jariwala. "Esto es importante cuando se trata de desarrollar una técnica eficiente para el control de la luz".

"Imagine la cavidad del material como el espacio entre dos espejos paralelos", dice. "De pie en este espacio, verá un número infinito de sus propios reflejos, lo que ocurre porque la luz que está observando interactúa muchas veces con el medio de los espejos. Cuantas más interacciones tenga la luz con el medio antes de que escape, el más fuerte el efecto óptico. Al crear una cavidad altamente interactiva cambiando el grosor del material, podemos producir fuertes respuestas ópticas, solo que ahora también están guiadas por la propiedad magnética del semiconductor".

El trabajo de Jariwala vincula las propiedades magnéticas y ópticas de los nanomateriales antiferromagnéticos, lo que abre las puertas a la ingeniería ligera para aplicaciones de alta tecnología.

La manipulación de la luz no solo es importante para el avance de la tecnología, sino que también es una herramienta que se utiliza para caracterizar los materiales.

"Este trabajo también se relaciona con un estudio anterior dirigido por Liang que demostró la capacidad de la microscopía de generación de segundo armónico para obtener una imagen directa de la alineación de espín en un semiconductor antiferromagnético diferente a nivel de monocapa", dice Jariwala.

"Este tipo de microscopía es una forma especializada de observar una propiedad óptica única que solo está presente en ciertos materiales. Usando esta técnica de microscopía especializada, ahora podemos caracterizar los materiales y mapear sus propiedades magnéticas con un grosor de solo unos pocos átomos. Estos documentos juntos destacan la importancia de las propiedades ópticas tanto para comprender mejor los materiales como para desarrollar nuevos tipos de técnicas de imagen y microscopía". dice Wu

Los próximos pasos de los investigadores serán llevar a la práctica la teoría de la manipulación de la luz por el magnetismo mediante la aplicación activa de campos magnéticos a giros orientados seleccionados en materiales antiferromagnéticos, probando la capacidad de crear circuitos magnetofotónicos.

"Estamos muy entusiasmados con estas observaciones, particularmente porque se encuentran en materiales semiconductores donde poseemos otras perillas para la manipulación", dice Jariwala. "Además, esta clase de materiales es mucho más amplia con muchas más combinaciones para explorar, incluida la búsqueda de formas de aumentar las temperaturas de transición magnética. Ahora estamos buscando y diseñando formas de manipular la luz dentro de estos materiales usando múltiples perillas de control y ver cómo fuertemente podemos sintonizarlos en dispositivos reales". + Explora más

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