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Edwin Cartlidge

Ricercatori negli Stati Uniti, nella Repubblica Ceca e in Spagna hanno dimostrato che la luce intrappolata all’interno di un cristallo magnetico può potenziare fortemente le sue interazioni magneto-ottiche, grazie alla formazione di quasiparticelle note come eccitoni-polaritoni. [Immagine: Rezlind Bushati]

Sfruttare la risposta dei materiali magnetici alla luce potrebbe potenzialmente portare a tutti i tipi di nuove tecnologie, dai laser magnetici a nuovi dispositivi di memoria. Ma gli effetti magneto-ottici nella maggior parte dei materiali presenti in natura sono piccoli e richiedono laser ad alta potenza o rilevatori ottici sensibili per essere individuati.

Ora gli scienziati hanno dimostrato che la risposta magnetica di un semiconduttore antiferromagnetico spesso solo pochi atomi può essere sintonizzata su un ampio intervallo spettrale (Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06275-2). Secondo i ricercatori ciò è dovuto alla formazione dei cosiddetti eccitoni-polaritoni, quasiparticelle costituite in parte da materia e in parte da luce.

Le quasiparticelle vengono tipicamente realizzate posizionando un pezzo di semiconduttore eccezionalmente sottile al centro di una cavità ottica di dimensioni micrometriche. Le onde luminose risonanti liberano elettroni nel materiale, creando coppie elettrone-lacuna note come eccitoni. Se le coppie che si fondono emettono una radiazione con una frequenza molto simile a quella della luce nella cavità, i fotoni e gli eccitoni finiscono per formare un'entità distinta: un eccitone-polaritone.

Nell'ultimo lavoro, Vinod Menon del City College di New York, USA, e colleghi hanno studiato questo accoppiamento luce-materia in cristalli costituiti da diversi strati di un semiconduttore fatto di cromo, solfuro e bromo, con ogni strato di poche centinaia di strati. nanometri di spessore. Sono stati in grado di intrappolare la luce all'interno dei cristalli sia con specchi su ciascuna estremità dei campioni che senza, in quest'ultimo caso, sfruttando la costante dielettrica insolitamente grande del materiale rispetto all'ambiente circostante.

Invece di una singola risonanza, come ci si aspetterebbe nel caso di un solo eccitone, i ricercatori hanno invece osservato segnali ottici a frequenze e quindi energie multiple.

Menon e colleghi hanno prima dimostrato le caratteristiche puramente ottiche dei cristalli puntando su di essi una luce laser verde e misurando la fotoluminescenza. Invece di una singola risonanza, come ci si aspetterebbe nel caso di un solo eccitone, i ricercatori hanno invece osservato segnali ottici a frequenze e quindi energie multiple. Combinando questi risultati sperimentali con modelli teorici, il team ha concluso che le emissioni devono essere il risultato della dispersione di eccitoni-polaritoni.

Con questo risultato nella borsa, i ricercatori hanno continuato a studiare l’influenza dei campi magnetici su questa dispersione. Come sottolineano nell’articolo, un antiferromagnete è costituito da piccole regioni di momenti magnetici atomici o molecolari allineati in modo opposto senza magnetizzazione netta. Ma quando esposto a un campo magnetico, il materiale diventa un ferromagnete in cui tutti i momenti magnetici si allineano nella stessa direzione. L'effetto non è in bianco e nero; i campi intermedi fanno sì che i momenti magnetici delle regioni vicine si allineino parzialmente.

Menon e colleghi hanno esaminato l'effetto di un campo magnetico esterno sui diversi rami della dispersione dei polaritoni. Il ramo a più alta energia corrisponde a un eccitone puro (che hanno simulato anziché misurato), con i rami a energia progressivamente più bassa che diventano più simili a fotoni. I ricercatori hanno scoperto che l’aumento della forza del campo magnetico riduceva l’energia di tutti i rami, ma diminuiva maggiormente quella dei rami simili agli eccitoni.

Mentre i cristalli con pochissimi strati sono trasparenti a energie significativamente inferiori alla risonanza dell'eccitone, secondo i ricercatori il materiale del team, che ha più strati, sperimenta grandi cambiamenti nella riflettanza ottica quando soggetto a campi magnetici.

Tuttavia, lo stesso non era vero per la riflettanza. Come per la sua energia, la riflettanza di un polaritone potrebbe essere modificata dal campo esterno. Ma in questo caso, i ricercatori hanno visto l’effetto maggiore con polaritoni più simili ai fotoni. Per gli eccitoni puri, invece, la modulazione era minima. In altre parole, secondo i ricercatori, mentre i cristalli con pochissimi strati sono trasparenti a energie significativamente inferiori alla risonanza eccitonica, il materiale del team, che ha più strati, subisce invece grandi cambiamenti nella riflettanza ottica quando soggetto a campi magnetici.