Новая оптика и фотоника

Эдвин Картлидж

Исследователи из США, Чехии и Испании показали, что свет, захваченный внутри магнитного кристалла, может сильно усилить его магнитооптические взаимодействия — благодаря образованию квазичастиц, известных как экситон-поляритоны. [Изображение: Резлинд Бушати]

Использование реакции магнитных материалов на свет потенциально может привести к созданию всевозможных новых технологий, от магнитных лазеров до новых устройств памяти. Но магнитооптические эффекты в большинстве природных материалов невелики и требуют либо мощных лазеров, либо чувствительных оптических детекторов.

Теперь ученые показали, что магнитный отклик антиферромагнитного полупроводника толщиной всего в несколько атомов можно настроить в широком спектральном диапазоне (Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06275-2). По мнению исследователей, это связано с образованием так называемых экситон-поляритонов, квазичастиц, которые частично состоят из материи, а частично из света.

Квазичастицы обычно реализуются путем помещения исключительно тонкого куска полупроводника в центр оптического резонатора микрометрового размера. Резонансные световые волны высвобождают электроны в материале, создавая электрон-дырочные пары, известные как экситоны. Если сливающиеся пары излучают излучение с частотой, очень похожей на частоту света в резонаторе, фотоны и экситоны образуют отдельный объект: экситон-поляритон.

В своей последней работе Винод Менон из Городского колледжа Нью-Йорка, США, и его коллеги изучили эту связь света и вещества в кристаллах, состоящих из нескольких слоев полупроводника, состоящих из хрома, сульфида и брома, каждый слой которых составляет всего несколько сотен толщиной в нанометры. Им удалось поймать свет внутри кристаллов как с помощью зеркал на каждом конце образцов, так и без них — в последнем случае, используя необычно большую диэлектрическую проницаемость материала по сравнению с окружающей средой.

Вместо одного резонанса, как можно было бы ожидать в случае только экситона, исследователи наблюдали оптические сигналы на нескольких частотах и, следовательно, энергиях.

Менон и его коллеги впервые продемонстрировали чисто оптические характеристики кристаллов, освещая их зеленым лазерным светом и измеряя фотолюминесценцию. Вместо одного резонанса, как можно было бы ожидать в случае только экситона, исследователи наблюдали оптические сигналы на нескольких частотах и, следовательно, энергиях. Объединив эти экспериментальные результаты с теоретическими моделями, команда пришла к выводу, что выбросы должны быть результатом дисперсии экситон-поляритонов.

Имея этот результат в сумке, исследователи продолжили исследовать влияние магнитных полей на эту дисперсию. Как они отмечают в статье, антиферромагнетик состоит из небольших областей противоположно ориентированных атомных или молекулярных магнитных моментов без суммарной намагниченности. Но под воздействием магнитного поля материал становится ферромагнетиком, в котором все магнитные моменты выстраиваются в одном направлении. Эффект не черно-белый; промежуточные поля заставляют магнитные моменты из соседних областей частично выравниваться.

Менон и его коллеги исследовали влияние внешнего магнитного поля на различные ветви дисперсии поляритонов. Ветвь с самой высокой энергией соответствует чистому экситону (который они скорее смоделировали, чем измерили), при этом ветви с более низкой энергией становятся все более фотоноподобными. Исследователи обнаружили, что увеличение силы магнитного поля снижает энергию всех ветвей, но больше всего уменьшает энергию экситоноподобных ветвей.

По словам исследователей, в то время как кристаллы с очень небольшим количеством слоев прозрачны при энергиях значительно ниже экситонного резонанса, материал команды, имеющий больше слоев, вместо этого испытывает серьезные изменения в оптической отражательной способности под воздействием магнитных полей.

Однако этого нельзя сказать об отражательной способности. Как и в случае с энергией, коэффициент отражения поляритона может быть изменен внешним полем. Но в этом случае исследователи увидели наибольший эффект у более фотоноподобных поляритонов. Напротив, для чистых экситонов модуляция была минимальной. Другими словами, по мнению исследователей, в то время как кристаллы с очень небольшим количеством слоев прозрачны при энергиях значительно ниже экситонного резонанса, материал команды, имеющий больше слоев, вместо этого испытывает серьезные изменения в оптической отражательной способности под воздействием магнитных полей.