Una delle principali sfide della ricerca nel campo della nanotecnologia è trovare modi efficienti per controllare la luce, un'abilità essenziale per l'imaging ad alta risoluzione, i biosensori e i telefoni cellulari. Poiché la luce è un'onda elettromagnetica che non trasporta alcuna carica, è difficile da manipolare con la tensione o un campo magnetico esterno. Per risolvere questa sfida, gli ingegneri hanno trovato modi indiretti per manipolare la luce utilizzando le proprietà dei materiali da cui si riflette la luce. Tuttavia, la sfida diventa ancora più difficile su scala nanometrica, poiché i materiali si comportano in modo diverso negli stati atomicamente sottili.

Deep Jariwala, assistente professore in ingegneria elettrica e dei sistemi, e colleghi hanno scoperto una proprietà magnetica nei materiali antiferromagnetici che consente la manipolazione della luce su scala nanometrica e collega contemporaneamente il materiale semiconduttore al magnetismo, un divario che gli scienziati hanno cercato di colmare per decenni. Hanno descritto le loro scoperte in un recente studio pubblicato su Nature Photonics .

Collaborando con Liang Wu, assistente professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Penn's School of Arts and Sciences, insieme agli studenti laureati Huiqin Zhang, uno studente di dottorato nel laboratorio di Jariwala, e Zhuoliang Ni, uno studente di dottorato nel laboratorio di Wu, i ricercatori descrivono la proprietà magnetica di FePS3, un materiale semiconduttore antiferromagnetico. Hanno contribuito a questo lavoro anche Christopher Stevens e Joshua Hendrickson dell'Air Force Research Laboratory e KBR, Inc. in Ohio, nonché Aofeng Bai e Frank Peiris del Kenyon College in Ohio.

"La ricerca del nostro laboratorio si concentra sulla ricerca di nuovi materiali per elettronica, computer, archiviazione di informazioni e raccolta e conversione di energia", afferma Jariwala. "La classe di materiali che esaminiamo sono materiali bidimensionali di van der Waals atomicamente sottili e, più specificamente, quelli semiconduttori."

I materiali magnetici sono classificati come ferromagneti o antiferromagneti. Gli antiferromagneti sono materiali che contengono linee di elettroni che ruotano in una direzione accanto a linee di elettroni che ruotano nella direzione opposta, annullando qualsiasi forza di attrazione o repulsione tipica dei magneti, mentre i ferromagneti sono quelli con elettroni che ruotano tutti nella stessa direzione e producono i propri campo magnetico.

Il materiale antiferromagnetico utilizzato in questo studio, FePS3, o trisolfuro di fosforo di ferro, è un semiconduttore con proprietà ottiche uniche che dipendono dall'allineamento della direzione di spin dell'elettrone.

"In teoria, applicando un campo magnetico esterno a questo semiconduttore 2D antiferromagnetico, possiamo alterarne le proprietà ottiche", afferma Jariwala. "Ed è così che usi una proprietà magnetica per manipolare la luce. Avendo stabilito il collegamento tra magnetismo e manipolazione della luce, stiamo entrando nel campo della 'magnetofotonica', un'area di ricerca che credo si espanderà notevolmente nei prossimi cinque-dieci anni. anni."

Il documento non solo descrive l'uso delle proprietà magnetiche del materiale per controllare la luce, ma evidenzia anche che esiste anche una proprietà fisica del materiale coinvolto.

"Troviamo anche che per spessori specifici questo materiale antiferromagnetico agisce come una cavità che migliora significativamente la sua interazione con la luce e la sua alterazione con la proprietà magnetica", afferma Jariwala. "Questo è importante quando si cerca di sviluppare una tecnica efficiente per il controllo della luce."

"Immaginate la cavità del materiale come lo spazio tra due specchi paralleli", dice. "Stando in questo spazio, vedrai un numero infinito dei tuoi riflessi, il che si verifica perché la luce che stai osservando interagisce molte volte con il mezzo degli specchi. Più interazioni ha la luce con il mezzo prima che scappi, il più forte l'effetto ottico. Creando una cavità altamente interattiva attraverso la modifica dello spessore del materiale, possiamo produrre forti risposte ottiche, solo che ora sono guidate anche dalla proprietà magnetica del semiconduttore."

Il lavoro di Jariwala collega le proprietà magnetiche e ottiche dei nanomateriali antiferromagnetici, aprendo le porte all'ingegneria della luce per applicazioni high-tech.

La manipolazione della luce non è solo significativa per il progresso tecnologico, è anche uno strumento utilizzato per caratterizzare i materiali.

"Questo lavoro si riferisce anche a uno studio precedente condotto da Liang che ha dimostrato la capacità della microscopia di generazione di seconda armonica di visualizzare direttamente l'allineamento di spin in un diverso semiconduttore antiferromagnetico a livello di monostrato", afferma Jariwala.

"Questo tipo di microscopia è un modo specializzato per osservare una proprietà ottica unica presente solo in determinati materiali. Usando questa tecnica di microscopia specializzata, ora possiamo caratterizzare i materiali e mappare le loro proprietà magnetiche con uno spessore di pochi atomi. Questi documenti insieme evidenziano il significato delle proprietà ottiche sia nella comprensione migliore dei materiali che nello sviluppo di nuovi tipi di tecniche di imaging e microscopia". dice Wu

I prossimi passi dei ricercatori saranno mettere in pratica la teoria della manipolazione della luce da parte del magnetismo applicando attivamente campi magnetici a spin selezionati di oriente in materiali antiferromagnetici, testando la capacità di creare circuiti magnetofotonici.

"Siamo molto entusiasti di queste osservazioni, in particolare perché si trovano in materiali semiconduttori in cui possediamo varie altre manopole per la manipolazione", afferma Jariwala. "Inoltre, questa classe di materiali è molto più ampia con molte più combinazioni da esplorare, inclusa la ricerca di modi per aumentare le temperature di transizione magnetica. Ora stiamo cercando di trovare e progettare modi per manipolare la luce all'interno di questi materiali utilizzando più manopole di controllo e vedere come possiamo sintonizzarli su dispositivi reali". + Esplora ulteriormente

Spintronica:miglioramento dell'elettronica con un controllo della rotazione più preciso