Magneti luminosi: scoperte quasiparticelle sulla superficie di magneti a semiconduttore
Alexey Chernikov e il suo team sono specializzati nel rilevamento di quasiparticelle ottiche mediante microscopia ultraveloce. Insieme a colleghi internazionali, hanno recentemente visualizzato un fenomeno quantistico completamente nuovo: quasiparticelle luminose - note come eccitoni - che appaiono sulla superficie di un magnete semiconduttore. Finora si riteneva che potessero esistere solo all'interno di tali materiali. Il team ha fatto questa scoperta studiando strati cristallini ultrasottili - ciascuno spesso solo pochi atomi - del semiconduttore quantistico antiferromagnetico solfuro di cromo bromuro (CrSBr). I risultati sono stati pubblicati su Nature Materials.
Magneti luminosi
think-design | Jochen Thamm
Quasiparticelle nei magneti a semiconduttore
I materiali quantistici studiati da Alexey Chernikov - professore di microscopia ultraveloce e fotonica del Cluster of Excellence ct.qmat delle Università di Würzburg e Dresda - e dal suo team sono spesso spessi solo pochi strati atomici. La loro ricerca si concentra sull'esplorazione di quasiparticelle luminose. Queste quasiparticelle si formano quando un impulso di luce eccita un elettrone, lasciando dietro di sé un foro con carica positiva. L'elettrone e la buca si legano per attrazione elettrostatica, comportandosi come una nuova entità particellare indipendente. Questi eccitoni svolgono un ruolo cruciale nell'assorbimento e nell'emissione della luce, nonché nella trasmissione di energia e informazioni quantistiche. Gli scienziati stanno anche esplorando il loro potenziale per l'immagazzinamento della luce.
Gli eccitoni si trovano tipicamente in materiali non magnetici, poiché la maggior parte dei magneti sono metallici e non possono formare eccitoni stabili. Ma il solfuro di cromo bromuro (CrSBr) - un semiconduttore quantistico antiferromagnetico - sfida questa regola. Questo materiale unico combina l'ordine magnetico con le proprietà semiconduttive. Inoltre, i suoi strati cristallini sono tenuti insieme solo debolmente dalle forze di van der Waals, consentendo di ottenere pellicole ultrasottili dello spessore di pochi atomi. A basse temperature, i momenti magnetici - chiamati spin - degli strati adiacenti si allineano in direzioni opposte. La struttura degli eccitoni luminescenti dipende da questo ordine magnetico, il che significa che gli scienziati possono manipolare con precisione l'assorbimento e l'emissione della luce utilizzando i campi magnetici.
Catturare gli eccitoni
Per visualizzare queste quasiparticelle, il team di Chernikov utilizza metodi ottici avanzati che consentono di rilevare gli eccitoni in singoli strati atomici di spessore inferiore a un nanometro. Come riferimento, un nanometro è un milionesimo di millimetro, poco più della distanza tra due atomi.
"In laboratorio non abbiamo visto solo eccitoni in profondità nel materiale, ma li abbiamo trovati anche in superficie", spiega il professor Chernikov, che lavora presso la sede di Dresda di ct.qmat. È stato un passo fondamentale per la comprensione di queste affascinanti e insolite strutture quantistiche". Gli eccitoni di superficie riflettono ed emettono luce con un colore leggermente diverso rispetto a quelli presenti all'interno del materiale e quindi siamo riusciti a vederli". L'idea di cercare gli eccitoni di superficie è nata dalle conversazioni del team di ricerca con un collega dell'Università di Regensburg che fa parte di questo progetto, ricorda. "Abbiamo esaminato il materiale contemporaneamente a Dresda e a New York, utilizzando una diversa preparazione del campione e diversi strumenti di misura. Eppure abbiamo ottenuto gli stessi risultati, il che dimostra la loro elevata riproducibilità. È una cosa di cui sono molto contento!".
Bagliore di superficie
Gli eccitoni si creano quando i fotoni colpiscono un semiconduttore. Queste quasiparticelle assorbono la luce, ne immagazzinano l'energia e possono attraversare lo strato di materiale. Quando si dissolvono, rilasciano l'energia immagazzinata sotto forma di luce.
"Gli eccitoni svolgono un ruolo cruciale nel comportamento ottico dei nanomateriali", sottolinea il dottor Florian Dirnberger, che ha partecipato alla scoperta recentemente pubblicata come responsabile del progetto a Dresda e ora dirige un gruppo di ricerca indipendente di Emmy Noether presso l'Università Tecnica di Monaco.
"Gli eccitoni sono noti da molti decenni", continua Dirnberger, "ma solo negli ultimi quattro anni i fisici dei materiali hanno iniziato a esplorare il loro potenziale quando gli eccitoni vengono creati deliberatamente in cristalli magnetici. Oltre a immagazzinare e trasportare energia, possono trasportare e rilasciare informazioni attraverso la luce". E aggiunge: "Sebbene la ricerca su queste quasiparticelle esotiche sia ancora agli inizi, esse potrebbero alla fine gettare le basi per nuove tecnologie che combinino fotonica e magnetismo. I nostri risultati rappresentano un importante contributo a questo campo".
Un successo internazionale
Questa ricerca è il risultato di una collaborazione internazionale che coinvolge scienziati provenienti da Stati Uniti, Germania, Regno Unito, Paesi Bassi e Repubblica Ceca. Combinando una sintesi avanzata dei materiali, una spettroscopia altamente sensibile e una complessa teoria a molti corpi, il team ha esplorato la struttura delle quasiparticelle luminose in nuovi magneti semiconduttori. Questi risultati sono importanti non solo per approfondire la nostra comprensione dei materiali magnetici, ma anche per guidare le future innovazioni tecnologiche in questo campo emergente.
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Pubblicazione originale
Magnetically confined surface and bulk excitons in a layered antiferromagnet, Y. Shao, F. Dirnberger, S. Qiu, S. Acharya, S. Terres, E. J. Telford, D. Pashov, B. S. Y. Kim, F. L. Ruta, D. G. Chica, A. H. Dismukes, M. E. Ziebel, Y. Wang, J. Choe, Y. J. Bae, A. J. Millis, M. I. Katsnelson, K. Mosina, Z. Sofer, R. Huber, X. Zhu, X. Roy, M. van Schilfgaarde, A. Chernikov, and D. N. Basov, Nat Mater. 24, 391–398 (2025).
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