Bilim adamları atomik olarak ince malzemelerde ışığı kullanarak manyetizmayı ve topolojiyi kontrol etmenin yeni yolunu ortaya çıkardı

Manyetik özellikleri ve elektronik topolojisi ışığa maruz bırakılarak değiştirilebilen, ısı üreterek enerjiyi boşa harcayan geleneksel elektrik anahtarlamasına dayanmayan gelecekteki elektronik cihazların yolunu açan bir malzeme hayal edin.

Monash Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, iki boyutlu manyetik topolojik malzeme MnBi₂Te₄’de bu tür bir anahtarlamanın, manyetofononik polaritonlar adını verdikleri bir tür hibrit ışık-madde uyarımı yoluyla mümkün olabileceğini öngördüler. Çalışma şurada yayınlandı: ACS Nano.

Çalışmanın ilk yazarı ve çalışmayı doktorası sırasında yürüten Dr. Enamul Haque şöyle konuştu: “Manyetizma ve topolojiyi ışıkla kontrol etmek, topolojik kuantum malzeme araştırmalarında uzun zamandır zorlu bir süreç olmuştur. Hesaplamalarımız, her ikisini de aynı anda başarmanın bir yolunu gösteriyor; bu, topolojik durumların ultra hızlı açılıp kapanmasını mümkün kılabilir.” Monash Üniversitesi’nde.

Araştırmacılar, ilk prensip hesaplamalarını kullanarak manyetofononik polaritonların ışığın hem manyetik düzeni hem de elektronik topolojiyi değiştirmesine izin verdiğini gösteriyor. Hesaplamaları, yaklaşık 2 MV/cm’lik bir alanla 0,6 pikosaniye uzunluğundaki güçlü bir terahertz darbesinin, kafes tahrik edilirken antiferromanyetikten ferromanyetik katmana kadar 14 atomik katman kalınlığındaki MnBi₂Te₄ tabakasının iki katmanı arasındaki manyetik bağlantıyı değiştiren kafes titreşimlerini tahrik ettiğini gösteriyor (yukarıdaki resme bakın).

Bu durumda tabaka sıradan bir yalıtkandan kenarları boyunca korumalı iletken kanallara sahip topolojik bir yalıtkan haline dönüşür. Etki, malzemenin manyetik olabilmesi için yaklaşık 20 ila 25 kelvin’in altındaki düşük sıcaklıkları gerektirir.

Kuantum malzemelerde elektronlar, atomik titreşimler ve manyetik momentler, kuasipartiküller olarak bilinen kolektif uyarımları üretmek için etkileşime girer. Fonon polaritonları, ışık kristal kafesin (fononlar) titreşimleriyle birleştiğinde oluşan böyle bir yarı parçacıktır. Işığı çok küçük alanlara hapsederler, bu da onları nanofotonik açısından faydalı kılar. MnBi₂Te₄’de polaritonlardan biri, ışığı yaklaşık 18 nanometrelik etkili bir dalga boyuna sıkıştırır; bu rakam, boş uzayda aynı enerjiye sahip ışık için yaklaşık 65 mikrometredir.

Monash Üniversitesi’ndeki araştırmayı denetleyen profesör Nikhil Medhekar, “Bu sonuçta öne çıkan şey, tek bir malzemenin ışığı sıkı bir şekilde sınırlayabilmesi ve aynı zamanda ışığın manyetik ve topolojik özelliklerini kontrol etmesine izin vermesidir. Bir sonraki adımımız terahertz darbeleri kullanarak düşük sıcaklıkta tahminleri test etmek için deneysel meslektaşlarımızla birlikte çalışmaktır” dedi.

Optik olarak indüklenen manyetik değişiklikler, ultra hızlı anahtarlamaya giden bir yol sunar ve sınırlı polaritonlar, minyatürleştirilmiş fotonik bileşenlere uygundur. Yeniden yapılandırılabilir elektroniklerde, spintroniklerde ve nanofotonik anahtarlarda potansiyel kullanımlarla, ışığın manyetik ve topolojik elektronik durumları kontrol ettiği cihazlara yönelik her iki malzeme noktasını tek bir malzemede birleştirmek.

Bu hikaye, araştırmacıların yayınlanmış araştırma makalelerinden bulguları raporlayabildiği Science X Dialog’un bir parçasıdır. Science X Dialog ve nasıl katılacağınız hakkında bilgi almak için bu sayfayı ziyaret edin.

Haque özellikle karmaşık fiziksel olguları mikroskobik düzeyde açıklamak ve bunları incelemek için teorik ve hesaplamalı yöntemler geliştirmekle ilgileniyor. Daha genel anlamda Haque, yoğun madde fiziğindeki temel soruları keşfetmeyi, araştırma alanları arasındaki bağlantıları güçlendirmeyi ve teorik içgörüleri teknolojik yenilik fırsatlarına dönüştürmeyi amaçlıyor.