Une avancée quantique relie la lumière et le magnétisme dans des matériaux atomiquement fins
Des chercheurs du City College de New York explorent un domaine en pleine expansion de la science quantique, centré sur des matériaux d’à peine quelques atomes d’épaisseur. Dans ces systèmes, la lumière, la charge électrique et le magnétisme sont étroitement liés, plutôt que de fonctionner de manière indépendante.
Cette recherche émane du laboratoire de photonica nano et micro de Vinod M. Menon (LaNMP). Les chercheurs estiment que ces interactions inhabituelles pourraient soutenir à terme des dispositifs optoélectroniques avancés et des technologies quantiques capables de manipuler ensemble la lumière, la charge et le spin des électrons.
Interactions entre lumière et magnétisme
Dans une revue publiée dans Nature Materials, intitulée « Excitons dans des matériaux magnétiques de van der Waals », les chercheurs examinent les progrès récents concernant les semi-conducteurs magnétiques en couches. Ces matériaux permettent aux excitations générées par la lumière, appelées excitons, d’interagir avec l’ordre magnétique et avec des ondes magnétiques connues sous le nom de magnons.
Un exciton se forme lorsque la lumière incidente excite un électron, provoquant son mouvement et laissant derrière lui un « trou » chargé positivement. L’électron et le trou restent liés, formant une particule électriquement neutre capable d’interagir fortement avec la lumière. Les magnons, quant à eux, sont des ondes collectives se déplaçant à travers la structure magnétique organisée d’un matériau.
Les scientifiques ont consacré des années à unir les propriétés optiques des semi-conducteurs riches en excitons avec le magnétisme. Les stratégies antérieures incluaient l’ajout d’atomes magnétiques aux semi-conducteurs ou l’empilement de semi-conducteurs atomiquement fins sur des matériaux magnétiques.
Les semi-conducteurs magnétiques de van der Waals offrent une approche plus directe. Dans ces cristaux, les excitons et les moments magnétiques peuvent émerger des mêmes orbitales électroniques, permettant ainsi à la lumière et au magnétisme d’influencer mutuellement leurs comportements au sein du matériau.
Pratap Chandra Adak, chercheur postdoctoral dans le groupe de Menon et auteur principal de la revue, déclare : « Dans ces matériaux, la lumière et le magnétisme n’opèrent plus comme des canaux séparés. Un exciton n’est pas simplement une excitation passive alimentée par la lumière, il peut détecter l’ordre de spin et les magnons, et dans les bonnes conditions, même aider à contrôler l’état magnétique lui-même. »
Nouvelles possibilités pour la technologie quantique
Les chercheurs identifient plusieurs applications potentielles dépendant d’un contrôle précis de la lumière et du magnétisme à des échelles extrêmement petites. Celles-ci incluent la mémoire magnéto-photonique, la logique tout-optique, des dispositifs d’émission de lumière ajustables, des lasers magnéto-optiques et des technologies polaroniques.
Une autre application prometteuse concerne les transducteurs quantiques, des dispositifs convertissant les signaux entre des fréquences micro-ondes et optiques, une capacité qui pourrait devenir essentielle pour connecter des composants dans de futurs réseaux quantiques.
Défis scientifiques majeurs
Malgré les progrès rapides, de nombreux aspects de ce domaine restent inexplorés. Plusieurs matériaux potentiels n’ont pas encore été étudiés en détail, et les scientifiques ont besoin de modèles théoriques améliorés pour prédire comment les excitons, les spins électroniques, les vibrations de réseau et les photons interagissent simultanément.
Les recherches futures pourraient explorer des excitons magnétiques moirés, le contrôle optique des textures de spin, des dispositifs magnéto-photoniques, la condensation des polaritons d’excitons magnétiques, ainsi que la conversion de signaux micro-ondes en signaux optiques pour la communication quantique.
Cette étude a été soutenue par la DARPA et la Gordon and Betty Moore Foundation.
(Source : Nature Materials)
