Exciton-polariton condensate in the van der Waals magnet CrSBr

In der mikroskopischen Welt der Materialwissenschaften suchen Forscher ständig nach Substanzen, die zwei Dinge gleichzeitig können: wie ein Halbleiter elektrischen Strom leiten und wie ein Magnet auf Magnetfelder reagieren. Jahrzehntelang wurden diese beiden Eigenschaften oft in separaten Materialien gefunden, was es schwierig machte, Geräte zu bauen, in denen Licht, Elektrizität und Magnetismus nahtlos zusammenarbeiten konnten. Vor kurzem ist eine neue Familie von Materialien namens Van-der-Waals-Magnete aufgetaucht. Dies sind Kristalle, die aus dünnen Schichten bestehen, die durch schwache Kräfte zusammengehalten werden, was es Wissenschaftlern ermöglicht, sie wie die Seiten eines Buches auseinanderzublättern, bis sie nur noch wenige Atome dick sind. Unter diesen wurde ein Material namens CrSBr zum besonderen Fokus, da es in normaler Luft stabil bleibt und sich als Halbleiter verhält, während es gleichzeitig eine starke interne magnetische Ordnung besitzt. Die zentrale Frage, die die jüngste Forschung antreibt, ist, ob wir Licht und Materie innerhalb dieser magnetischen Kristalle so intensiv interagieren lassen können, dass sie einen neuen Zustand der Materie bilden – einen Zustand, in dem die magnetischen Eigenschaften des Kristalls direkt steuern können, wie sich das Licht verhält.

Ein Team von Forschern hat nun demonstriert, dass dies möglich ist. Sie nahmen eine dünne Flocke des CrSBr-Kristalls und platzierten sie in einem speziell entwickelten optischen Resonator, der im Wesentlichen eine Falle für Licht aus zwei hochreflektierenden Spiegeln ist. Durch Abkühlung des gesamten Aufbaus auf eine eisige Temperatur von 3,5 Kelvin und durch sorgfältige Justierung des Abstands zwischen den Spiegeln zwangen sie das Licht, das im Inneren reflektiert wird, sich mit den Anregungen im Inneren des Kristalls zu vermischen. Wenn Licht und Materie auf diese Weise miteinander vermischt werden, erzeugen sie neue Teilchen, sogenannte Exzitonen-Polaritonen. Dies sind hybride Entitäten, die teils aus Licht und teils aus Materie bestehen und sich wie eine Flüssigkeit verhalten, die fließen und interagieren kann. Den Forschern gelang es, diese Flüssigkeit in einen Zustand der Kondensation zu versetzen, ein Phänomen, bei dem eine große Anzahl dieser Teilchen zu einem einzigen, kohärenten Quantenzustand zusammenfindet – ähnlich wie Wasserdampf zu einem einzigen Tropfen Flüssigkeit wird, jedoch auf der Quantenebene von Licht und Materie.

Die bedeutendste Entdeckung dieser Arbeit ist, wie der magnetische Zustand des Kristalls das Verhalten dieser Lichtflüssigkeit diktiert. Der CrSBr-Kristall besitzt eine natürliche magnetische Anordnung, bei der die Spins seiner Atome in entgegengesetzte Richtungen zeigen, was als antiferromagnetische Ordnung bekannt ist. Als die Forscher jedoch ein externes Magnetfeld anlegten, konnten sie die Atome dazu zwingen, sich in dieselbe Richtung auszurichten, wodurch sie den Kristall in eine ferromagnetische Ordnung umschaltten. Sie fanden heraus, dass dieser Wechsel die Art und Weise, wie die Lichtflüssigkeit mit sich selbst interagiert, komplett veränderte. Im natürlichen antiferromagnetischen Zustand zogen sich die Teilchen der Flüssigkeit gegenseitig an, was dazu führte, dass die Energie des Lichts sank, wenn mehr Teilchen hinzugefügt wurden. Doch als das Magnetfeld den Kristall in den ferromagnetischen Zustand zwang, kehrte sich die Wechselwirkung um: Die Teilchen begannen sich gegenseitig abzustoßen, was dazu führte, dass die Energie des Lichts anstieg. Diese Fähigkeit, allein durch Ändern des Magnetfeldes zwischen Anziehung und Abstoßung hin und her zu schalten, ist ein seltener und kraftvoller Effekt, der darauf hindeutet, dass die magnetische Ordnung des Materials direkt die Kräfte zwischen den Lichtteilchen steuert.

Um zu beweisen, dass sie tatsächlich ein Kondensat und nicht nur eine helle Lichtquelle erschaffen hatten, suchten die Forscher nach spezifischen Signaturen der Quantenkohärenz. Sie maßen, wie die Lichtwellen sich in Raum und Zeit aufeinander abstimmten. Unterhalb einer bestimmten Leistungsebene war das vom Kristall emittierte Licht chaotisch und ungeordnet. Aber sobald die Pumpleistung einen spezifischen Schwellenwert von etwa 16 Milliwatt überschritt, wurde das Licht plötzlich hochgradig organisiert. Die Forscher beobachteten, dass die Lichtwellen begannen, im Gleichschritt zu marschieren, wodurch ein kohärenter Strahl entstand, der sich über die gesamte Probe erstreckte. Sie maßen auch die statistischen Eigenschaften der Photonen und stellten fest, dass sie von einer zufälligen, thermischen Verteilung zu einem geordneteren Muster übergingen, das charakteristisch für einen kohärenten Quantenzustand ist. Diese Messungen bestätigten, dass das System einen Phasenübergang in eine makroskopische Quantenflüssigkeit vollzogen hatte.

Die Forscher untersuchten auch den Mechanismus hinter der seltsamen Änderung der Wechselwirkung. Sie ermittelten, dass der Übergang von Anziehung zu Abstoßung dadurch getrieben wurde, wie die magnetische Ordnung die Bewegung der Elektronen und die Schwingungen des Kristallgitters beeinflusste. Im antiferromagnetischen Zustand erzeugte das Vorhandensein von magnetischen Wellen, oder Magnonen, innerhalb des Kristalls eine anziehende Kraft zwischen den Licht-Materie-Teilchen. Als das Magnetfeld den Kristall in den ferromagnetischen Zustand schaltete, wurden diese magnetischen Wellen unterdrückt und die natürlichen abstoßenden Kräfte zwischen den Teilchen übernahmen das Kommando. Dieser Befund liefert eine direkte Verbindung zwischen der magnetischen Ordnung eines Festkörpers und dem kollektiven Verhalten einer Lichtflüssigkeit und zeigt, dass die interne Magnetismus des Materials als Regler genutzt werden kann, um die fundamentalen Kräfte zu tunen, die auf das Kondensat wirken.

Diese Arbeit eröffnet einen neuen Weg für die Entwicklung von Geräten, in denen Magnetismus und Licht tief miteinander verwoben sind. Durch die Nutzung eines Magnetfeldes zur Steuerung der Wechselwirkungen innerhalb einer Lichtflüssigkeit könnten Wissenschaftler potenziell optische Schalter oder Logikgatter bauen, die weitaus effizienter sind als heutige Technologien. Die Fähigkeit, ein Bose-Einstein-Kondensat – einen Zustand der Materie, in dem Teilchen als eine einzige Quanteneinheit agieren – innerhalb eines magnetischen Halbleiters zu erzeugen, deutet darauf an, dass wir in eine Ära der „optomagnonischen“ Geräte eintreten. Diese zukünftigen Werkzeuge könnten den Spin von Elektronen direkt an On-Chip-Lichtquellen koppeln und so neue Wege eröffnen, um Informationen zu verarbeiten oder Magnetfelder mit beispielloser Sensitivität zu erfassen. Die Studie bestätigt, dass der Van-der-Waals-Magnet CrSBr ein einzigartiger Spielplatz ist, auf dem der komplexe Tanz von Photonen, magnetischen Wellen und Exzitonen beobachtet und gesteuert werden kann, was einen greifbaren Weg zur Manipulation von Quantenflüssigkeiten mittels Magnetfeldern aufzeigt.