Mıknatısınızı nasıl eğitirsiniz: Manyetik kontrol için yeni bir düğme olarak Excitons

Bilim insanları bir kuantum materyalinin ışığa nasıl tepki verdiğini izleyerek onun hakkında çok şey öğrenebilirler. Manyetik yarı iletkenlerde özellikle yararlı bir haberci eksitondur: negatif yüklü bir elektron ile onun geride bıraktığı pozitif yüklü “deliğin” eşleşmesi. Şimdiye kadar manyetik malzemelerdeki eksitonlar çoğunlukla haberci olarak kullanılıyordu. Spinlerin nasıl düzenlendiğini veya manyetik dalgaların bir malzeme içinde nasıl hareket ettiğini açığa çıkarabilirler. Ancak Cornell araştırmacıları, eksitonların manyetizmayı gözlemlemekten daha fazlasını yapabildiğini gösterdi. Aktif olarak yönlendirebilirler.

15 Haziran’da yayınlanan “Manyetik Yarı İletkende Eksitonik Döndürme Torku” makalesinde Doğa MalzemeleriSanat ve Bilim Koleji’nde kimya ve kimyasal biyoloji alanında yardımcı doçent olan Youn Jue (Eunice) Bae ve meslektaşları, ışık tarafından oluşturulan eksitonların, iki boyutlu manyetik yarı iletken krom sülfit bromürde veya CrSBr’de bir dönüş torku uygulayabildiğini bildirdi. Bulgu, ışıkla manyetik hareketi kontrol etmenin yeni bir yolu olarak eksitonları ortaya koyuyor.

Bae, “Eksitonlar, manyetik malzemelerde spinlerin ne yaptığını izlemek için çok faydalı oldu” dedi. “Burada gösterdiğimiz şey, eksitonların aynı zamanda dönüşlere de etki edebildiği. Onlar sadece seyirci değiller; manyetik hareketi yönlendirmeye yardımcı olabilirler.”

Spin kontrolü için yeni bir rota

Çalışma, bilgiyi depolamak ve işlemek için elektronik yük yerine elektron dönüşünü kullanmayı amaçlayan bir alan olan spintronikteki merkezi hedefi ileriye taşıyor. Döndürme tabanlı cihazlar, geleneksel elektroniklere göre daha az israf edilen ısıyla çalışabildiğinden, araştırmacılar dönüşleri hızlı, hassas ve verimli bir şekilde kontrol etmenin yeni yollarını arıyorlar.

Döndürme torkuna yönelik geleneksel yaklaşımlar genellikle metalik heteroyapılara, arayüzlere ve elektrik akımlarına dayanır. Bae’nin grubu farklı bir yol buldu: manyetik yarı iletkenin içinde bir eksiton rezervuarı oluşturmak için ışığı kullanmak.

Sonuç şaşırtıcıydı çünkü eksitonlar spinleri itmek için bariz adaylar değillerdi. Bir eksiton elektriksel olarak nötrdür ve optik olarak parlak eksitonların genellikle çok az net açısal momentuma sahip olduğu veya hiç olmadığı düşünülür.

Bae, “Dolayısıyla geleneksel olarak tork uygulamaması gerektiği düşünülüyordu” dedi.

Hareketi besleyen veya sönümleyen tork

Ancak CrSBr’de eksiton sadece mekanik bir itme gibi davranmaz. Bunun yerine, dönüş sisteminin hareket ettikçe enerji kazanıp kaybetme şeklini değiştirir. Dönüşlerin yönüne bağlı olarak, eksiton ya hareketi sönümleyebilir ya da enerjiyi ona geri besleyebilir.

Doktora adayı ve çalışmanın ilk yazarlarından Nicholas Brennan, doktora sonrası araştırmacı Jiacheng Tang ile birlikte “Exciton tarafından üretilen tork, geleneksel torklardan farklıdır” dedi. “Bu, kolu döndürmek gibi basit bir doğrusal tork değil. Doğrusal değil; tork dönüş yönüne bağlı olarak değişiyor.”

Bu doğrusal olmayan davranış, ekibin ölçümlerinde açıkça ortaya çıktı. Düşük uyarımda manyetik hareket düzenli bir salınım gibi davrandı. Daha yüksek uyarımda hareket keskin bir şekilde asimetrik hale geldi ve testere dişi benzeri bir dalga biçimi oluşturdu. Ekip bu alışılmadık davranışın izini eksitonik dönüş torkuna kadar sürdü: Işıkla oluşturulan eksiton rezervuarı, dönüş sistemiyle sürekli olarak enerji alışverişi yapıyordu.

Zamanlama, etkiyi güçlü kılan şeyin bir parçasıdır. Eksitonları oluşturan lazer darbesi son derece kısadır ancak eksiton rezervuarı, ilk darbe gittikten sonra dönüşleri etkilemeye devam edebilir.

Araştırmacılar bu sürekli etkileşimin manyetik sistemi dengeden uzaklaştırabileceğini gözlemledi. Yüksek uyarımda, dönüşler, eğimli antiferromanyetik, ferromanyetik ve anahtarlamalı antiferromanyetik durumlar dahil olmak üzere farklı manyetik konfigürasyonlar arasında tekrar tekrar geçti.

Spinlerin zamanla gelişmesini izlemek

Deneylerde pompa-prob tekniği kullanıldı. İlk ışık darbesi eksitonları yarattı ve CrSBr’de manyetik hareketi başlattı. Dönüşlerin nasıl geliştiğini okumak için kontrollü zaman gecikmelerinde ikinci bir darbe geldi.

Brennan, “Bunu stroboskopik bir şekilde yapıyoruz” dedi. “Bunu tekrar tekrar yaparak, zaman dinamiklerini bir araya getiriyoruz ve uyarılmamızın bir fonksiyonu olarak malzemenin nasıl değiştiğini izliyoruz.”

CrSBr, bu tür çalışmalar için umut verici bir platformdur çünkü havada stabildir, atomik olarak ince tabakalara kadar pul pul dökülebilir ve hem manyetik düzene hem de güçlü eşleşmiş eksitonlara ev sahipliği yapar. Bu özellikler onu iki boyutlu sistemlerde ışığın, yükün ve dönüşün nasıl etkileşime girdiğini keşfetmek için yararlı bir malzeme haline getiriyor.

Bellek cihazlarından beyin benzeri bilgisayarlara

Bae, ileriye dönük olarak, eksitonik dönüş torkunun, optospintronik cihazlarda (bilgiyi taşımak ve işlemek için hem ışığı hem de dönüşü kullanan), spintronik hafızada (veri depolama için dönüşü kullanan) ve kuantum transdüksiyonunda (kuantum bilgisini ışık gibi bir formdan elektrik sinyalleri gibi bir formdan diğerine dönüştüren) yeni yönler açabileceğini söyledi.

Brennan aynı zamanda bu konsepti, NASA Uzay Teknolojisi Lisansüstü Araştırma Fırsatı bursunun desteğiyle, beyinden ilham alan bir bilgi işleme biçimi olan nöromorfik hesaplamaya da uyguluyor.

Brennan, “Beyindeki nöronlar ile bir kafesteki dönüşler arasında güzel bir analog var” dedi. “Bu nedenle mıknatıslar, özellikle makine öğrenimi algoritmalarını gerçekleştirmek için ilgi çekici bir platformdur.”