Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci z MITu a dalších institucí objevili při studiu exotické fyziky nový způsob manipulace s magnetismem materiálu pomocí světla; navíc přitom také připravili vzácnou formu hmoty. Výsledkem by mohly být nové technologické aplikace včetně mnohem rychlejších pamětí.
Excitony jsou kvazičástice skládající se z elektronu a díry – obvykle původního místa, odkud elektron vyskočil do excitovaného stavu. V důsledku zákonů kvantové mechaniky jsou elektron a díra stále propojeny a mohou spolu komunikovat prostřednictvím elektrostatických interakcí. Proto má smysl považovat exciton za jedinou (kvazi)částici. Excitony lze chápat i jako balíčky energie, které se šíří systémem. Edoardo Baldini, Nuh Gedik Carina Belvin (MIT/ University of Texas, Austin) a jejich kolegové popsali materiál, kde jsou excitony těsně propojeny s magnetismem. V sulfidu niklu a fosforu NiPS3 mají být excitony „oblečené“, tj. svázané s okolním prostředím. Vybuzení excitonů světlem tedy znamená i další změny tohoto prostředí, a to včetně magnetických vlastností. Tím se myslí tvrzení z úvodu, že pomocí světla ovládáme magnetismus materiálu.
Sloučenina NiPS3 je za normálních podmínek antiferomagnet, tedy spiny sousedních elektronů míří opačným směrem. Světelný pulz způsobí, že se každý ze spinů elektronů začne otáčet dokola. Rotující spiny jsou synchronizovány a vytvářejí v celém materiálu spinovou vlnu. Potud jsme víceméně na úrovni klasické spintroniky.
Navíc se ale ukázalo, že budou-li pulzy dost intenzivní, NiPS3 se přepne do kovového stavu (předtím šlo o izolant). Materiál se stane elektricky vodivým, přitom však zůstane antiferomagnetem, což je už docela výjimečná kombinace.
Autoři studie se domnívají, že k popsanému procesu dochází proto, že intenzivní světlo způsobuje vzájemné srážky excitonů a jejich rozpad na jednotlivé složky: elektrony a díry. „V podstatě ničíme excitony, takže elektrony a díry se mohou pohybovat jako v kovu,“ uvádí E. Baldini. Tyto pohyblivé částice však neinteragují s lokalizovanými spiny elektronů, které se účastní spinové vlny, takže magnetismus zůstává zachován v původní podobě.
Carina A. Belvin et al, Exciton-driven antiferromagnetic metal in a correlated van der Waals insulator, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25164-8
Zdroj: Materials Research Laboratory, Massachusetts Institute of Technology / Phys.org
