Onderzoekers gebruiken licht om magnetische velden op nanoschaal te controleren

Voorbeeld in studie.(EEN) Schema van hBN-ingekapselde WSe₂ monolaag met FLG-toppoort en contacten. De optische pomp en sonde zijn ruimtelijk gescheiden. (B) Optische microscoopopname van monster D1. (C) Poortafhankelijke reflectiespectra van de WSe₂ steekproef. De excitonische resonantiekenmerken zijn dienovereenkomstig gelabeld. au, willekeurige eenheden. (D)⁺ en reflectiespectra bij 0,5 V, waar de singlet- en triplettrion-kenmerken goed zijn opgelost. Inzet: Singlet- en triplet-trionconfiguraties met evenwichtige valleipopulaties. Vaste en gestippelde banden geven de volgorde van de spin aan. (E)⁺ en reflectiespectra bij 0,5 V (n_e ~2 × 10¹²cm⁻²) onder⁺ pompen. Insert: Schematische voorstelling van singlet- en triplet-trions in optisch gepompt spin/vallei-gepolariseerd elektronenbad. (F) CD-spectra onder σ⁺ en pompen. Let daar op T = 4 K, pompvermogen is 7,8 W en pompsonde-offset is 8 m. Credit: wetenschappelijke vooruitgang (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq7650

In dunne, tweedimensionale halfgeleiders bewegen, draaien en synchroniseren elektronen op ongebruikelijke manieren. Voor onderzoekers is het begrijpen van de manier waarop deze elektronen hun ingewikkelde dansen uitvoeren – en het leren manipuleren van hun choreografie – niet alleen in staat om fundamentele fysieke vragen te beantwoorden, maar kan ook nieuwe soorten circuits en apparaten opleveren.

Een gecorreleerde fase die dergelijke elektronen kunnen aannemen, is magnetische volgorde, waarin ze hun spin in dezelfde richting uitlijnen. Traditioneel was het vermogen om magnetische orde binnen een 2D-halfgeleider te manipuleren beperkt; wetenschappers hebben logge, externe magnetische velden gebruikt, die technologische integratie beperken en mogelijk interessante verschijnselen verbergen.

Nu hebben onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) van de Universiteit van Chicago ontdekt hoe ze laserstralen met laag vermogen op nanoschaal kunnen gebruiken om het magnetisme in een 2D-halfgeleider nauwkeurig te beheersen. Hun aanpak, online beschreven in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgangheeft implicaties voor zowel het bestuderen van de opkomst van de gecorreleerde fase als het ontwerpen van nieuwe opto-elektronische en spintronische apparaten.

“Het feit dat we nu licht kunnen gebruiken om elektronen op deze manier te manipuleren, betekent dat we ongekende controle hebben over deze magnetische orde”, zei Asst. Prof. Alex High, de senior auteur van het nieuwe werk.

Bestuurbare magneten

High’s laboratorium richtte zich op overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD’s), een familie van halfgeleiders die kunnen worden geëxfolieerd tot enkele, tweedimensionale vlokken van slechts drie atomen dik. Wetenschappers hadden eerder de hypothese geopperd dat elektronen binnen TMD’s een gecorreleerde fase zouden kunnen aannemen, met hun spin in dezelfde richting uitgelijnd om de systeemenergie te verlagen – deze ferromagnetische fase is wat we in de volksmond magnetisme noemen. Het genereren of modelleren van deze overgang naar de gecorreleerde toestand was echter moeilijk.

High is al lang geïnteresseerd in hoe licht kan worden gecontroleerd en op zijn beurt de toestand van materie kan veranderen. Zijn team vroeg zich af of, in plaats van externe magnetische velden, minuscule lichtbundels zouden kunnen worden gebruikt om een ​​gecorreleerde magnetische fase te creëren. Ze richtten een strak gefocuste laserstraal met een diameter van minder dan een micron (een duizendste van een millimeter) op een monolaag TMD. Ze flitsten de laser nanoseconden per keer, terwijl ze ook de TMD in de gaten hielden met een optische sonde waarmee ze de activiteit van zijn elektronen konden volgen.

De sonde onthulde dat de pulserende laser de spin-polarisatie van elektronen beïnvloedde binnen een gebied van 5 micron bij 8 micron van de TMD, waardoor een gecorreleerde fase naar buiten vanaf de laser werd verspreid. Met andere woorden, de elektronen waren hun spin aan het uitlijnen; de onderzoekers konden de magnetische volgorde van elektronen binnen het kleine gebied regelen.

“Deze nieuwe techniek biedt ons een handige manier om elektronencorrelatie te manipuleren, waardoor de studie van de gecorreleerde fasen veel praktischer is dan in het verleden”, zegt postdoctoraal onderzoeker Kai Hao, co-eerste auteur van het artikel.

“Een van de dingen die dit echt aantrekkelijk maakt, is het nogal ongecompliceerde karakter ervan”, zegt afgestudeerde student Andrew Kindseth, die ook heeft bijgedragen aan het nieuwe werk. “In veel opzichten is het zo simpel als gewoon een circulair gepolariseerde laser op dit materiaal schijnen.”

Een nieuw onderzoeksplatform

De nieuwe techniek voor het beheersen van magnetisme in atomair dunne halfgeleiders biedt een startpunt voor een overvloed aan nieuwe studies, aldus de onderzoekers.

Naast magnetische fasen, zijn TMD-systemen ook verondersteld om meer exotische gecorreleerde elektronische fasen te vormen, zoals Wigner-kristallen, ladingsdichtheidsgolven, Mott-toestanden en supergeleiding. De mogelijkheid om de elektronenspins in TMD’s lokaal te manipuleren binnen een ultrakorte tijdschaal en met precisie op nanoschaal, kan voorheen ontoegankelijke informatie opleveren, wat de theoretische studie van deze exotische fasen verder zal helpen.

Aan de toepassingskant is er een dringende behoefte aan nieuwe opto-elektronische en spintronische apparaten om te voldoen aan de explosieve groei in de informatie-industrie. De demonstratie van efficiënte optische controle van de spinvolgorde heeft een groot potentieel voor apparaattoepassingen. Onmiddellijke effecten zijn onder meer het bouwen van on-chip spinbronnen, afstembare optische isolatoren en efficiënte fan-out in spintronische circuits.

“De mogelijkheid om magnetisch geheugen optisch te manipuleren en spinversterking te genereren in TMD’s – materialen die op grote schaal worden bestudeerd voor technologieën van de volgende generatie – zal opto-elektronica en spintronica in nieuwe richtingen duwen”, zegt afgestudeerde student Robert Shreiner, een co-eerste auteur van het artikel.