Квантовый прорыв: свет и магнетизм соединились в сверхтонких материалах
В материалах толщиной всего в несколько атомов свет, электрический заряд и магнетизм перестают существовать по отдельности. Вместо этого они начинают тесно взаимодействовать друг с другом. Исследователи из Городского колледжа Нью-Йорка (CCNY) под руководством физика Винода М. Менона изучают эту новую область квантовой науки. Они считают, что такие необычные связи помогут создать оптоэлектронные устройства и квантовые технологии нового поколения [1].
Когда свет встречает магнетизм
В центре исследования —
Магноны — это коллективные волны, которые путешествуют по упорядоченной магнитной структуре материала. Учёные давно пытались объединить оптические свойства полупроводников с магнетизмом. Раньше они добавляли магнитные атомы в полупроводники или укладывали сверхтонкие полупроводники поверх магнитных материалов. В ван-дер-ваальсовых магнитных полупроводниках всё происходит естественнее. Экситоны и магнитные моменты возникают из одних и тех же электронных орбиталей внутри кристалла. Это позволяет свету и магнетизму влиять друг на друга напрямую [3].
«В этих материалах свет и магнетизм больше не работают как отдельные каналы, — поясняет Пратап Чандра Адак, ведущий автор обзора. — Экситон — это не пассивное возбуждение, сидящее на магнетизме. Он может ощущать спиновый порядок и магноны. При правильных условиях он даже помогает контролировать магнитное состояние» [1].
Как свет читает магнитные состояния
Исследователи изучили несколько материалов, включая трииодид хрома, трисульфид фосфора никеля и сульфобромид хрома. Эти двухмерные магнетики показали, как экситоны и магнитное поведение влияют друг на друга. Экситоны усиливают магнито-оптические эффекты. Учёные могут определять магнитные состояния по изменениям в поляризации света. Магнитный порядок, в свою очередь, меняет энергию экситонов и их положение внутри материала [2].
Взаимодействие экситонов и магнонов связывает оптические сигналы с магнитной активностью на гигагерцевых частотах. Исследователи также изучают экситонные поляритоны — гибридные частицы, сочетающие свойства света и вещества. Они могут переносить оптическую информацию через материал [3].
Открытия последних лет
За последние несколько лет эта область науки значительно продвинулась вперёд. Учёные перешли от простого обнаружения магнетизма в сверхтонких кристаллах к активному управлению светом с помощью магнитного порядка [1].
В одной из работ, опубликованных в Nature Nanotechnology, исследователи наблюдали экситоны на поверхности магнитного полупроводника CrSBr. Они светятся чуть иначе, чем экситоны внутри материала, что позволило их увидеть [4].
В другой работе, вышедшей в Nature Communications, был создан магнон-фотонный интерфейс на основе CrSBr. Учёные показали, что экситонные поляритоны в такой структуре можно настраивать с помощью магнитного поля, а сам экситон модулируется когерентным магноном [5].
Что это даст технологиям
Исследователи уже видят несколько практических применений:
- Магнито-фотонная память и считывание данных.
- Полностью оптическая логика.
- Настраиваемые светоизлучающие устройства.
- Магнито-оптические лазеры.
- Поляритонные технологии [2].
Особый интерес вызывают квантовые преобразователи. Эти устройства конвертируют сигналы между микроволновыми и оптическими частотами. В будущем они могут стать важным элементом квантовых сетей [3].
Что предстоит сделать
Несмотря на быстрый прогресс, многое остаётся неизученным. Многие материалы ещё не исследованы детально. Учёным нужны более точные теоретические модели, чтобы предсказывать поведение экситонов, спинов, колебаний решётки и фотонов при их одновременном взаимодействии [1].
Среди перспективных направлений: диамагнитные экситоны, оптическое управление спиновыми текстурами, магнитные экситонные поляритоны и преобразование микроволновых сигналов в оптические для квантовой связи [2].
Читайте также:
Квантовый прорыв: новый сенсор поможет найти тёмную материю и древние гравитационные волны
Физик создал «мини-вселенную» и наблюдал рождение времени
Список источников
- CCNY-led researchers define new frontier in quantum materials – EurekAlert!, 2026
- Excitons in van der Waals magnetic materials – Nature Materials, 2026
- Quantum breakthrough links light and magnetism in atomically thin materials – ScienceDaily, 2026
- Exciton transport driven by spin excitations in an antiferromagnet – Nature Nanotechnology, 2025
- A Magnon-photon interface based on Van der Waals Magnetic semiconductor – Nature Communications, 2026
