I ricercatori hanno scoperto che la luce, sotto forma di laser, può innescare una forma di magnetismo in un materiale normalmente non magnetico. Questo magnetismo è incentrato sul comportamento degli elettroni. Queste particelle subatomiche hanno una proprietà elettronica chiamata "spin", che ha una potenziale applicazione nell'informatica quantistica. I ricercatori hanno scoperto che gli elettroni all'interno del materiale si orientavano nella stessa direzione quando illuminati dai fotoni di un laser.

L'esperimento, condotto da scienziati dell'Università di Washington e dell'Università di Hong Kong, è stato pubblicato il 20 aprile su Nature .

Controllando e allineando gli spin degli elettroni a questo livello di dettaglio e precisione, questa piattaforma potrebbe avere applicazioni nel campo della simulazione quantistica, secondo l'autore co-senior Xiaodong Xu, un Boeing Distinguished Professor presso l'UW nel Dipartimento di Fisica e il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali.

"In questo sistema, possiamo utilizzare i fotoni essenzialmente per controllare le proprietà dello 'stato fondamentale', come il magnetismo, delle cariche intrappolate all'interno del materiale semiconduttore", ha affermato Xu, che è anche ricercatore presso il Clean Energy Institute dell'UW e il Molecular Istituto di Ingegneria e Scienze. "Questo è un livello di controllo necessario per lo sviluppo di determinati tipi di qubit, o 'bit quantistici', per il calcolo quantistico e altre applicazioni."

Xu, il cui team di ricerca ha guidato gli esperimenti, ha condotto lo studio con l'autore co-senior Wang Yao, professore di fisica all'Università di Hong Kong, il cui team ha lavorato alla teoria alla base dei risultati. Altri membri della facoltà dell'UW coinvolti in questo studio sono i coautori Di Xiao, un professore dell'UW di fisica e di scienze dei materiali e ingegneria che ha anche un incarico congiunto presso il Pacific Northwest National Laboratory, e Daniel Gamelin, un professore di chimica e direttore dell'UW del Centro Materiali di Ingegneria Molecolare.

Il team ha lavorato con fogli ultrasottili, ciascuno di soli tre strati di atomi di spessore, di diseleniuro di tungsteno e disolfuro di tungsteno. Entrambi sono materiali semiconduttori, così chiamati perché gli elettroni li attraversano a una velocità compresa tra quella di un metallo completamente conduttivo e di un isolante, con potenziali usi nella fotonica e nelle celle solari. I ricercatori hanno impilato i due fogli per formare un "superreticolo moiré", una struttura impilata composta da unità ripetute.

Fogli impilati come questi sono potenti piattaforme per la fisica quantistica e la ricerca sui materiali perché la struttura del superreticolo può trattenere gli eccitoni in posizione. Gli eccitoni sono coppie legate di elettroni "eccitati" e le loro cariche positive associate e gli scienziati possono misurare come le loro proprietà e il loro comportamento cambiano in diverse configurazioni di superreticolo.

I ricercatori stavano studiando le proprietà degli eccitoni all'interno del materiale quando hanno fatto la sorprendente scoperta che la luce innesca una proprietà magnetica chiave all'interno del materiale normalmente non magnetico. I fotoni forniti dal laser hanno "eccitato" gli eccitoni all'interno del percorso del raggio laser e questi eccitoni hanno indotto un tipo di correlazione a lungo raggio tra gli altri elettroni, con i loro spin orientati tutti nella stessa direzione.

"È come se gli eccitoni all'interno del superreticolo avessero iniziato a 'parlare' con elettroni spazialmente separati", ha detto Xu. "Quindi, tramite eccitoni, gli elettroni hanno stabilito interazioni di scambio, formando quello che è noto come uno 'stato ordinato' con spin allineati".

L'allineamento di rotazione a cui i ricercatori hanno assistito all'interno del superreticolo è una caratteristica del ferromagnetismo, la forma di magnetismo intrinseca a materiali come il ferro. Normalmente è assente dal diseleniuro di tungsteno e dal disolfuro di tungsteno. Ogni unità ripetitiva all'interno del superreticolo moiré agisce essenzialmente come un punto quantico per "intrappolare" uno spin di elettroni, ha detto Xu. Gli spin di elettroni intrappolati che possono "parlare" tra loro, come possono, sono stati suggeriti come base per un tipo di qubit, l'unità di base per i computer quantistici che potrebbe sfruttare le proprietà uniche della meccanica quantistica per il calcolo.

In un documento separato pubblicato il 25 novembre su Scienza Xu e i suoi collaboratori hanno scoperto nuove proprietà magnetiche nei superreticoli moiré formati da fogli ultrasottili di triioduro di cromo. A differenza del diseleniuro di tungsteno e del disolfuro di tungsteno, il triioduro di cromo possiede proprietà magnetiche intrinseche, anche come un singolo foglio atomico. Strati di triioduro di cromo impilati formavano domini magnetici alternati:uno che è ferromagnetico, con spin tutti allineati nella stessa direzione, e un altro che è "antiferromagnetico", in cui gli spin puntano in direzioni opposte tra strati adiacenti del superreticolo ed essenzialmente "si annullano a vicenda ," secondo Xu. Questa scoperta illumina anche le relazioni tra la struttura di un materiale e il suo magnetismo che potrebbero spingere i futuri progressi nell'informatica, nell'archiviazione dei dati e in altri campi.

"Ti mostra le 'sorprese' magnetiche che possono nascondersi all'interno dei superreticoli moiré formati da materiali quantistici 2D", ha affermato Xu. "Non puoi mai essere sicuro di cosa troverai se non guardi."

Primo autore di Natura l'articolo è Xi Wang, un ricercatore post-dottorato della UW in fisica e chimica. Altri coautori sono Chengxin Xiao dell'Università di Hong Kong; gli studenti di dottorato di fisica della UW Heonjoon Park e Jiayi Zhu; Chong Wang, ricercatore UW in scienza dei materiali e ingegneria; Takashi Taniguchi e Kenji Watanabe al National Institute for Materials Science in Giappone; e Jiaqiang Yan all'Oak Ridge National Laboratory. + Esplora ulteriormente

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