Свет впервые заставил экситоны управлять магнитами — это может привести к появлению новых ИИ-чипов и памяти
Учёные Корнеллского университета показали, что экситоны — связанные пары электрона и оставленной им положительной «дырки» — способны не только регистрировать магнитные процессы в материалах, но и активно управлять ими. Работа, опубликованная в журнале Nature Materials, демонстрирует новый способ воздействия на магнитные состояния с помощью света.
До сих пор экситоны использовались в основном как средство наблюдения за расположением спинов — квантового свойства электронов, отвечающего за магнитные эффекты. Однако группа под руководством Юн Джу (Юнис) Бэ (Youn Jue «Eunice» Bae) обнаружила, что в двумерном магнитном полупроводнике бромиде сульфида хрома (CrSBr) возбуждённые светом экситоны могут создавать спиновый момент, изменяющий магнитное состояние материала.
Это открытие важно для спинтроники — направления электроники, которое использует не электрический заряд, а спин электронов для хранения и обработки информации. Такие устройства потенциально способны выделять меньше тепла и работать эффективнее современных микросхем.
Обычно управление спинами требует сложных металлических структур и электрических токов, однако в новой работе для этого оказалось достаточно создать внутри материала «резервуар» экситонов с помощью лазерного импульса.
Изображение сгенерировано: Nano BananaЭффект оказался неожиданным, поскольку экситоны электрически нейтральны и долгое время считались неспособными напрямую влиять на магнитные процессы. Вместо механического воздействия они изменяют энергетический баланс спиновой системы, в зависимости от конфигурации либо подавляя колебания, либо, наоборот, подпитывая их энергией.
При слабом возбуждении магнитная система вела себя как обычный осциллятор, однако при увеличении мощности лазера колебания стали резко асимметричными и приобрели пилообразную форму. Учёные установили, что это связано с постоянным обменом энергией между спинами и созданным светом резервуаром экситонов.
Особенность эффекта заключается в том, что воздействие продолжается даже после исчезновения сверхкороткого лазерного импульса. При высокой интенсивности возбуждения магнитная система многократно переходила между различными состояниями, включая ферромагнитное и несколько антиферромагнитных режимов.
Эксперименты проводились методом «накачка-зондирование»: первый лазерный импульс создавал экситоны и запускал магнитную динамику, а второй с заданной задержкой фиксировал дальнейшую эволюцию системы. В качестве платформы использовался CrSBr — устойчивый на воздухе двумерный материал, который можно расщеплять до слоёв атомарной толщины и который сочетает магнитный порядок с сильными экситонными взаимодействиями.
Авторы считают, что обнаруженный механизм может найти применение в оптоспинтронных устройствах, спинтронной памяти и системах преобразования квантовой информации. Кроме того, один из участников работы уже исследует возможность использования подобных магнитных систем в нейроморфных вычислениях — архитектурах, вдохновлённых работой человеческого мозга и перспективных для задач машинного обучения.
© iXBT
