دانشمندان روش جدیدی را برای کنترل مغناطیس و توپولوژی با استفاده از نور در مواد نازک اتمی کشف کردند

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

ماده ای را تصور کنید که خواص مغناطیسی و توپولوژی الکترونیکی آن را می توان با قرار گرفتن در معرض نور تغییر داد و راه را برای دستگاه های الکترونیکی آینده که به سوئیچینگ الکتریکی سنتی متکی نیستند و با تولید گرما انرژی را هدر می دهند، هموار می کند.

محققان دانشگاه موناش پیش‌بینی کرده‌اند که این نوع سوئیچینگ در ماده توپولوژیکی مغناطیسی دوبعدی MnBi2Te4، از طریق نوعی تحریک ترکیبی نور-ماده که آن را پلاریتون‌های مگنتوفونیک می‌نامند، امکان‌پذیر است. این مطالعه در ACS Nano منتشر شده است.

دکتر Enamul Haque، اولین نویسنده این مطالعه، که این کار را در دوره دکتری خود انجام داد، گفت: "کنترل مغناطیس و توپولوژی با نور برای مدت طولانی یک چالش در تحقیقات مواد کوانتومی توپولوژیکی بوده است. محاسبات ما راهی را برای دستیابی به هر دو به یکباره نشان می دهد که می تواند سوئیچینگ فوق سریع روشن و خاموش حالت های توپولوژیکی را امکان پذیر کند." در دانشگاه موناش

با استفاده از محاسبات اصول اول، محققان نشان می‌دهند که پلاریتون‌های مگنتوفونیک به نور اجازه می‌دهند تا هم نظم مغناطیسی و هم توپولوژی الکترونیکی را تغییر دهد. محاسبات آنها نشان می دهد که یک پالس تراهرتز قوی، به طول 0.6 پیکوثانیه با میدانی در حدود 2 MV/cm، ارتعاشات شبکه ای را ایجاد می کند که جفت مغناطیسی را بین دو لایه ورقه 14 لایه اتمی MnBi2Te4 تغییر می دهد (ضخامت از ضد فرومغناطیسی به فرومغناطیسی در بالا).

در این حالت، ورق از یک عایق معمولی به یک عایق توپولوژیکی با کانال های رسانای محافظت شده در امتداد لبه های آن تغییر می کند. برای اینکه ماده مغناطیسی شود، این اثر به دماهای پایین، زیر حدود 20 تا 25 کلوین نیاز دارد.

در مواد کوانتومی، الکترون‌ها، ارتعاشات اتمی و گشتاورهای مغناطیسی برهم کنش می‌کنند تا برانگیختگی‌های جمعی به نام شبه ذرات تولید کنند. پلاریتون فونون یکی از این شبه ذرات است که هنگام جفت شدن نور با ارتعاشات شبکه کریستالی (فونون ها) تشکیل می شود. آنها نور را در فضاهای بسیار کوچک محدود می کنند که آنها را برای نانو فوتونیک مفید می کند. در MnBi2Te4، یکی از قطبیتون‌ها نور را به طول موج مؤثری در حدود 18 نانومتر فشرده می‌کند، در مقایسه با حدود 65 میکرومتر نور با همان انرژی در فضای آزاد.

پروفسور نیکیل مدهکار، سرپرست این تحقیق در دانشگاه موناش، گفت: "آنچه در این نتیجه برجسته می شود این است که یک ماده واحد می تواند نور را به شدت محدود کند و همچنین به نور اجازه می دهد خواص مغناطیسی و توپولوژیکی آن را کنترل کند. قدم بعدی ما همکاری با همکاران تجربی برای آزمایش پیش بینی در دمای پایین با استفاده از پالس های تراهرتز است."

تغییرات مغناطیسی القا شده نوری مسیری برای سوئیچینگ فوق سریع ارائه می دهد و پلاریتون های محدود با اجزای فوتونیک مینیاتوری مناسب هستند. ترکیب هر دو در یک ماده به دستگاه‌هایی اشاره می‌کند که در آنها نور حالت‌های الکترونیکی مغناطیسی و توپولوژیکی را کنترل می‌کند، با کاربردهای بالقوه در الکترونیک قابل تنظیم، اسپینترونیک و سوئیچ‌های نانوفوتونیکی.

این داستان بخشی از Science X Dialog است که در آن محققان می توانند یافته های مقالات تحقیقاتی منتشر شده خود را گزارش کنند. برای اطلاعات در مورد Science X Dialog و نحوه مشارکت از این صفحه دیدن کنید.

Enamul Haque و همکاران، قطبیتون های مغناطیسی بسیار محدود و برهمکنش های الکترون-فونون در اتمی نازک MnBi 2 Te 4، ACS Nano (2026). DOI: 10.1021/acsnano.6c06828

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →

Enamul Haque مدرک دکترای خود را در دانشگاه موناش در استرالیا به پایان رساند، در حالی که همچنین دانشجوی دکترا وابسته به مرکز عالی ARC در فناوری‌های الکترونیک کم انرژی آینده (FLEET) بود. هاک در حال حاضر یک پژوهشگر فوق دکترا در دانشگاه پلی تکنیک کارتاخنا (UPCT) در اسپانیا است که بر مواد کوانتومی، فیزیک ماده متراکم، و برهمکنش‌های نور-ماده تمرکز دارد، با تاکید ویژه بر پدیده‌های مغناطیسی و توپولوژیکی.

هاک بررسی می کند که چگونه می توان از فعل و انفعالات کوانتومی اساسی برای کنترل خواص مواد و پیشرفت فناوری های کوانتومی و الکترونیکی آینده استفاده کرد. هاک به ویژه به روشن کردن پدیده های فیزیکی پیچیده در سطح میکروسکوپی و توسعه روش های نظری و محاسباتی برای مطالعه آنها علاقه دارد. به طور گسترده تر، Haque قصد دارد سؤالات اساسی در فیزیک ماده متراکم را بررسی کند، ارتباطات بین حوزه های تحقیقاتی را تقویت کند، و بینش های نظری را به فرصت هایی برای نوآوری فن آوری تبدیل کند.