科学者は2D磁石内で準粒子が回転するのを「見る」

コロンビア大学2022年9月12日

マグノンと励起子の組み合わせにより、研究者はスピンの方向を確認できるようになります。これは、いくつかの量子アプリケーションにとって重要な考慮事項です。 クレジット: Chung-Jui Yu

新しい研究により、回転する準粒子 (マグノン) が発光準粒子 (励起子) と組み合わされると光り、量子情報への応用が可能になることが明らかになりました。

すべての磁石には、マグノンと呼ばれる回転する準粒子が含まれています。 これは、冷蔵庫に吊るす簡単なお土産から、コンピューターのメモリ領域を提供するディスク、研究室で使用される強力なバージョンに至るまで、すべての磁石に当てはまります。 1 つのマグノンの回転方向がその隣のマグノンの回転に影響を与えることがあり、さらにそのマグノンがその隣のマグノンのスピンに影響を与えるというように、いわゆるスピン波が生成されます。 スピン波は電気よりも効率的に情報を伝達できる可能性があり、マグノンは量子ビットを強力なコンピューターに「接着」する「量子相互接続」として機能します。

Although magnons have enormous potential, they are often difficult to detect without bulky pieces of lab equipment. According to Columbia researcher Xiaoyang Zhu, such setups are fine for conducting experiments, but not for developing devices, such as magnonic devices and so-called spintronics. However, seeing magnons can be made much simpler with the right material: a magnetic semiconductor called chromium sulfide bromide (CrSBr) that can be peeled into atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">原子ほど薄い 2D 層。化学科のザビエル・ロイ教授の研究室で合成された。

「初めて、単純な光学効果でマグノンを見ることができるようになりました。」— Xiaoyang Zhu

In a new article published in the journal Nature on September 7, Zhu and collaborators at Columbia, the University of WashingtonFounded in 1861, the University of Washington (UW, simply Washington, or informally U-Dub) is a public research university in Seattle, Washington, with additional campuses in Tacoma and Bothell. Classified as an R1 Doctoral Research University classification under the Carnegie Classification of Institutions of Higher Education, UW is a member of the Association of American Universities." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">University of Washington, New York UniversityFounded in 1831, New York University (NYU) is a private research university based in New York City." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ニューヨーク大学とオークリッジ国立研究所は、CrSBr中のマグノンが励起子と呼ばれる別の準粒子と対を成して光を放出することを示し、研究者らに回転する準粒子を「見る」メカニズムを提供する。

彼らがマグノンを光で摂動させると、肉眼でほぼ見える近赤外域で励起子からの振動が観察された。 「初めて、単純な光学効果でマグノンを見ることができるようになりました」とZhu氏は語った。

この結果は、量子変換、つまりエネルギーのある「量子」から別の「量子」への変換とみなされる可能性がある、と筆頭著者でZhu研究室の博士研究員であるYoun Jun (Eunice) Bae氏は述べた。 励起子のエネルギーはマグノンのエネルギーより 4 桁大きい。 今では、マグノンは非常に強力に対をなしているため、マグノンの小さな変化を簡単に観察できるとベイ氏は説明した。 この変換により、研究者はいつか、スピンベースの量子ビット（通常、相互に数ミリメートル以内に配置する必要がある）から情報を取得し、それを情報を転送できるエネルギーの形態である光に変換できる量子情報ネットワークを構築できるようになるかもしれない。光ファイバー経由で数百マイルまで。