Todos os ímãs - desde simples lembranças penduradas em sua geladeira até os discos que fornecem memória ao seu computador até as versões poderosas usadas em laboratórios de pesquisa - contêm quasipartículas giratórias chamadas magnons. A direção que um magnon gira pode influenciar a direção de seu vizinho, o que afeta o giro de seu vizinho e assim por diante, produzindo o que é conhecido como ondas de spin. A informação pode potencialmente ser transmitida através de ondas de spin com mais eficiência do que com eletricidade, e os magnons podem servir como "interconexões quânticas" que "colam" bits quânticos em computadores poderosos.
Magnons têm um potencial enorme, mas muitas vezes são difíceis de detectar sem equipamentos de laboratório volumosos. Essas configurações são boas para a realização de experimentos, mas não para o desenvolvimento de dispositivos, disse o pesquisador da Columbia Xiaoyang Zhu, como dispositivos magnônicos e os chamados spintrônicos. No entanto, ver magnons pode ser muito mais simples com o material certo:um semicondutor magnético chamado brometo de sulfeto de cromo (CrSBr) que pode ser descascado em camadas 2D de átomos finos, sintetizados no laboratório do professor do Departamento de Química Xavier Roy.

Em um novo artigo na Natureza , Zhu e colaboradores da Columbia, da Universidade de Washington, da Universidade de Nova York e do Oak Ridge National Laboratory mostram que os magnons no CrSBr podem emparelhar-se com outra quasipartícula chamada exciton, que emite luz, oferecendo aos pesquisadores um meio de "ver" o quase-partícula giratória.

Ao perturbar os magnons com a luz, eles observaram oscilações dos excitons na faixa do infravermelho próximo, que é quase visível a olho nu. "Pela primeira vez, podemos ver magnons com um simples efeito óptico", disse Zhu.

Os resultados podem ser vistos como transdução quântica, ou a conversão de um "quanta" de energia em outro, disse o primeiro autor Youn Jun (Eunice) Bae, pós-doutorando no laboratório de Zhu. A energia dos excitons é quatro ordens de grandeza maior que a dos magnons; agora, porque eles se unem tão fortemente, podemos facilmente observar pequenas mudanças nos magnons, explicou Bae. Essa transdução pode um dia permitir que pesquisadores construam redes de informações quânticas que podem receber informações de bits quânticos baseados em spin – que geralmente precisam estar localizados a milímetros um do outro – e convertê-los em luz, uma forma de energia que pode transferir informações para cima. a centenas de milhas através de fibras ópticas

O tempo de coerência – quanto tempo as oscilações podem durar – também foi notável, disse Zhu, durando muito mais do que o limite de cinco nanossegundos do experimento. O fenômeno poderia viajar mais de sete micrômetros e persistir mesmo quando os dispositivos CrSBr eram feitos de apenas duas camadas finas de átomos, aumentando a possibilidade de construir dispositivos spintrônicos em nanoescala. Esses dispositivos podem um dia ser alternativas mais eficientes para a eletrônica de hoje. Ao contrário dos elétrons em uma corrente elétrica que encontram resistência à medida que viajam, nenhuma partícula está realmente se movendo em uma onda de spin.

A partir daqui, os pesquisadores planejam explorar o potencial de informação quântica do CrSBr, bem como outros materiais candidatos. “No MRSEC e no EFRC, estamos explorando as propriedades quânticas de vários materiais 2D que você pode empilhar como papéis para criar todos os tipos de novos fenômenos físicos”, disse Zhu.

Por exemplo, se o acoplamento magnon-exciton pode ser encontrado em outros tipos de semicondutores magnéticos com propriedades ligeiramente diferentes do CrSBr, eles podem emitir luz em uma ampla gama de cores.

"Estamos montando a caixa de ferramentas para construir novos dispositivos com propriedades personalizáveis", acrescentou Zhu. + Explorar mais

Material quântico exclusivo pode permitir computadores compactos e ultrapoderosos