Exciton-polariton condensate in the van der Waals magnet CrSBr

Nel mondo microscopico della scienza dei materiali, i ricercatori sono costantemente alla ricerca di sostanze che possano fare due cose contemporaneamente: condurre elettricità come un semiconduttore e rispondere ai campi magnetici come un magnete. Per decenni, queste due proprietà sono state spesso rinvenute in materiali separati, rendendo difficile costruire dispositivi in cui luce, elettricità e magnetismo potessero lavorare insieme in modo fluido. Recentemente, una nuova famiglia di materiali chiamati magneti di van der Waals è emersa. Questi sono cristalli composti da strati sottili tenuti insieme da forze deboli, che permettono agli scienziati di separarli come le pagine di un libro fino a renderli spessi solo pochi atomi. Tra questi, un materiale chiamato CrSBr è diventato un particolare punto di interesse perché rimane stabile in aria normale e si comporta come un semiconduttore pur possedendo un forte ordine magnetico interno. La domanda centrale che guida la ricerca recente è se possiamo far sì che luce e materia interagiscano così intensamente all'interno di questi cristalli magnetici da formare un nuovo stato della materia, uno in cui le proprietà magnetiche del cristallo possano controllare direttamente il modo in cui la luce si comporta.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato che questo è possibile. Hanno preso una sottile scaglia del cristallo di CrSBr e l'hanno posizionata all'interno di una cavità ottica speciale, che è essenzialmente una trappola per la luce composta da due specchi altamente riflettenti. Raffreddando l'intero apparato a una temperatura gelida di 3,5 Kelvin e regolando attentamente la distanza tra gli specchi, hanno costretto la luce che rimbalza all'interno a mescolarsi con le eccitazioni all'interno del cristallo. Quando luce e materia si mescolano in questo modo, creano nuove particelle chiamate eccitoni-polaritoni. Queste sono entità ibride che sono parte luce e parte materia, che si comportano come un fluido capace di fluire e interagire. I ricercatori sono riusciti a spingere questo fluido in uno stato di condensazione, un fenomeno in cui un gran numero di queste particelle si aggrega in un singolo stato quantistico coerente, in modo simile a come il vapore acqueo si trasforma in una singa goccia di liquido, ma accadendo con luce e materia a livello quantistico.

La scoperta più significativa di questo lavoro è come lo stato magnetico del cristallo detti il comportamento di questo fluido di luce. Il cristallo di CrSBr ha un naturale arrangiamento magnetico in cui gli spin dei suoi atomi puntano in direzioni opposte, noto come ordine antiferromagnetico. Tuttavia, quando i ricercatori hanno applicato un campo magnetico esterno, sono riusciti a costringere gli atomi ad allinearsi nella stessa direzione, passando il cristallo a un ordine ferromagnetico. Hanno scoperto che questo passaggio ha cambiato completamente il modo in in cui il fluido di luce interagiva con se stesso. Nello stato antiferromagnetico naturale, le particelle nel fluido si attiravano tra loro, causando la diminuzione dell'energia della luce man mano che venivano aggiunte più particelle. Ma quando il campo magnetico ha forzato il cristallo nello stato ferromagnetico, l'interazione è cambiata: le particelle hanno iniziato a respingersi, causando l'aumento dell'energia della luce. Questa capacità di passare tra attrazione e repulsione semplicemente cambiando il campo magnetico è un effetto raro e potente, suggerendo che l'ordine magnetico del materiale controlli direttamente le forze tra le particelle di luce.

Per provare di aver creato davvero un condensato e non solo una sorgente luminosa brillante, i ricercatori hanno cercato firme specifiche di coerenza quantistica. Hanno misurato come le onde luminose si allineavano tra loro nello spazio e nel tempo. Al di sotto di un certo livello di potenza, la luce emessa dal cristallo era caotica e disordinata. Ma una volta che la potenza di pompaggio ha superato una soglia specifica di circa 16 milliwatt, la luce è diventata improvvisamente altamente organizzata. I ricercatori hanno osservato che le onde luminose hanno iniziato a marciare all'unisono, creando un fascio coerente che si estendeva su tutto il campione. Hanno anche misurato le proprietà statistiche dei fotoni, riscontrando che passavano da una distribuzione termica casuale a un modello più ordinato, caratteristico di uno stato quantistico coerente. Queste misurazioni hanno confermato che il sistema aveva subito una transizione di fase in un fluido quantistico macroscopico.

I ricercatori hanno anche indagato sul meccanismo dietro il bizzarro cambiamento di interazione. Hanno determinato che il passaggio dall'attrazione alla repulsione era guidato dal modo in cui l'ordine magnetico influenzava il movimento degli elettroni e le vibrazioni del reticolo cristallino. Nello stato antiferromagnetico, la presenza di onde magnetiche, o magnoni, all'interno del cristallo creava una forza attrattiva tra le particelle luce-materia. Quando il campo magnetico ha commutato il cristallo allo stato ferromagnetico, queste onde magnetiche sono state soppresse e le naturali forze repulsive tra le particelle hanno preso il sopravvento. Questa scoperta fornisce un collegamento diretto tra l'ordine magnetico di un solido e il comportamento collettivo di un fluido di luce, mostrando che l'ordine magnetico interno del materiale può essere usato come una manopola per sintonizzare le forze fondamentali che agiscono sul condensato.

Questo lavoro apre una nuova strada per lo sviluppo di dispositivi in cui magnetismo e luce sono profondamente intrecciati. Usando un campo magnetico per controllare le interazioni all'interno di un fluido di luce, gli scienziati potrebbero potenzialmente costruire interruttori ottici o porte logiche molto più efficienti rispetto alle tecnologie attuali. La capacità di creare un condensato di Bose-Einstein, uno stato della materia in cui le particelle agiscono come un'unica entità quantistica, all'interno di un semiconduttore magnetico suggerisce che stiamo entrando in un'era di dispositivi "optomagnonici". Questi futuri strumenti potrebbero accoppiare lo spin degli elettroni direttamente a sorgenti luminose su chip, consentendo nuovi modi per elaborare informazioni o rilevare campi magnetici con una sensibilità senza precedenti. Lo studio conferma che il magnete di van der Waals CrSBr è un campo di gioco unico dove la complessa danza di fotoni, onde magnetiche ed eccitoni può essere osservata e controllata, offrendo una via concreta verso la manipolazione dei fluidi quantistici tramite campi magnetici.