Exciton-polariton condensate in the van der Waals magnet CrSBr

In de microscopische wereld van de materiaalkunde zoeken onderzoekers voortdurend naar stoffen die twee dingen tegelijk kunnen doen: elektriciteit geleiden als een halfgeleider en reageren op magnetische velden als een magneet. Decennialang werden deze twee eigenschappen vaak in afzonderlijke materialen gevonden, wat het moeilijk maakte om apparaten te bouwen waarin licht, elektriciteit en magnetisme naadloos samen konden werken. Onlangs is er een nieuwe familie van materialen, van der Waals-magneten genoemd, opgekomen. Dit zijn kristallen gemaakt van dunne lagen die door zwakke krachten bij elkaar worden gehouden, waardoor wetenschappers ze uit elkaar kunnen pellen als de pagina's van een boek tot ze slechts een paar atomen dik zijn. Onder deze materialen is een materiaal genaamd CrSBr een bijzonder focuspunt geworden, omdat het stabiel blijft in normale lucht en zich gedraagt als een halfgeleider terwijl het ook een sterke interne magnetische orde bezit. De centrale vraag die de recente research drijft, is of we licht en materie zo intens binnen deze magnetische kristallen kunnen laten interageren dat ze een nieuwe staat van materie vormen, een staat waarin de magnetische eigenschappen van het kristal direct kunnen bepalen hoe licht zich gedraagt.

Een team van onderzoekers heeft nu aangetoond dat dit mogelijk is. Ze namen een dun laagje van het CrSBr-kristal en plaatsten dit in een speciaal ontworpen optische holte, wat in essentie een val voor licht is, bestaande uit twee hoogreflecterende spiegels. Door de gehele opstelling af te koelen tot een ijzige temperatuur van 3,5 Kelvin en de afstand tussen de spiegels zorgvuldig aan te passen, dwongen ze het licht dat binnenin weerkaatste te mengen met de excitaties binnen het kristal. Wanneer licht en materie op deze manier mengen, creëren ze nieuwe deeltjes genaamd exciton-polaritonen. Dit zijn hybride entiteiten die deels uit licht en deels uit materie bestaan, en die zich gedragen als een vloeistof die kan stromen en interageren. De onderzoekers slaagden erin om deze vloeistof in een staat van condensatie te brengen, een fenomeen waarbij een groot aantal van deze deeltjes samenklontert in één enkele, coherente kwantumtoestand, vergelijkbaar met hoe waterdamp verandert in een enkele druppel vloeistof, maar dan op kwantumniveau met licht en materie.

De meest significante ontdekking in dit werk is hoe de magnetische toestand van het kristal het gedrag van deze lichtvloeistof dicteert. Het CrSBr-kristal heeft een natuurlijke magnetische ordening waarbij de spins van de atomen in tegenovergestelde richtingen wijzen, bekend als een antiferromagnetische orde. Echter, wanneer de onderzoekers een extern magnetisch veld toepasten, konden ze de atomen dwingen om in dezelfde richting te staan, waardoor het kristal overschakelde naar een ferromagnetische orde. Ze ontdekten dat deze schakeling de manier waarop de lichtvloeistof met zichzelf interageerde, volledig veranderde. In de natuurlijke antiferromagnetische toestand trokken de deeltjes in de vloeistof elkaar aan, waardoor de energie van het licht daalde naarmate er meer deeltjes werden toegevoegd. Maar toen het magnetische veld het kristal in de ferromagnetische toestand dwong, keerde de interactie om: de deeltjes begonnen elkaar af te stoten, waardoor de energie van het licht steeg. Dit vermogen om tussen aantrekking en afstoting te schakelen door simpelweg het magnetische veld te veranderen, is een zeldzaam en krachtig effect, wat suggereert dat de magnetische orde van het materiaal direct de krachten tussen de lichtdeeltjes controleert.

Om te bewijzen dat ze werkelijk een condensaat hadden gecreëerd en niet alleen een heldere lichtbron, zochten de onderzoekers naar specifieke kenmerken van kwantumcoherentie. Ze maten hoe de lichtgolven ruimtelijk en temporeel met elkaar in lijn liepen. Onder een bepaald vermogensniveau was het licht dat uit het kristal kwam chaotisch en ongeordend. Maar zodra het pompvermogen een specifieke drempel van ongeveer 16 milliwatt overschreed, werd het licht plotseling zeer georganiseerd. De onderzoekers observeerden dat de lichtgolven in stap begonnen te marcheren, waardoor een coherente bundel ontstond die zich over de gehele sample uitstrekte. Ze maten ook de statistische eigenschappen van de fotonen en vonden dat deze overgingen van een willekeurige, thermische distributie naar een meer ordelijk patroon dat kenmerkend is voor een coherente kwantumtoestand. Deze metingen bevestigden dat het systeem een faseovergang had ondergaan naar een macroscopische kwantumvloeistof.

De onderzoekers onderzochten ook het mechanisme achter de vreemde verandering in interactie. Ze bepaalden dat de verschuiving van aantrekking naar afstoting werd gedreven door de manier waarop de magnetische orde de beweging van elektronen en de trillingen van het kristalrooster beïnvloedde. In de antiferromagnetische toestand creëerde de aanwezigheid van magnetische golven, of magnon's, binnen het kristal een aantrekkende kracht tussen de licht-materie deeltjes. Toen het magnetische veld het kristal naar de ferromagnetische toestand schakelde, werden deze magnetische golven onderdrukt en namen de natuurlijke afstotende krachten tussen de deeltjes het over. Deze bevinding biedt een directe link tussen de magnetische orde van een vaste stof en het collectieve gedrag van een lichtvloeistof, en laat zien dat de interne magnetisme van het materiaal kan worden gebruikt als een draaiknop om de fundamentele krachten die op het condensaat inwerken, af te stemmen.

Dit werk opent een nieuwe weg voor de ontwikkeling van apparaten waarbij magnetisme en licht diep met elkaar verweven zijn. Door een magnetisch veld te gebruiken om de interacties binnen een lichtvloeistof te controleren, zouden wetenschappers potentieel optische schakelaars of logische poorten kunnen bouwen die veel efficiënter zijn dan de huidige technologieën. Het vermogen om een Bose-Einsteincondensaat, een toestand van materie waarin deeltjes als één enkele kwantumentiteit optreden, binnen een magnetische halfgeleider te creëren, suggereert dat we een tijdperk van "optomagnonische" apparaten betreden. Deze toekomstige instrumenten zouden de spin van elektronen direct aan on-chip lichtbronnen kunnen koppelen, wat nieuwe manieren mogelijk maakt om informatie te verwerken of magnetische velden met ongekende gevoeligheid waar te nemen. De studie bevestigt dat de van der Waals-magneet CrSBr een unieke speeltuin is waar de complexe dans van fotonen, magnetische golven en excitonen kan worden waargenomen en gecontroleerd, wat een tastbare route biedt naar het manipuleren van kwantumvloeistoffen met magnetische velden.