Neuigkeiten zu Optik und Photonik

Edwin Cartlidge

Forscher in den Vereinigten Staaten, der Tschechischen Republik und Spanien haben gezeigt, dass in einem Magnetkristall eingefangenes Licht seine magnetooptischen Wechselwirkungen stark verstärken kann – dank der Bildung von Quasiteilchen, die als Exziton-Polaritonen bekannt sind. [Bild: Rezlind Bushati]

Die Ausnutzung der Reaktion magnetischer Materialien auf Licht könnte möglicherweise zu allen möglichen neuen Technologien führen, von magnetischen Lasern bis hin zu neuartigen Speichergeräten. Aber magnetooptische Effekte in den meisten natürlich vorkommenden Materialien sind gering und erfordern entweder Hochleistungslaser oder empfindliche optische Detektoren, um erkannt zu werden.

Jetzt haben Wissenschaftler gezeigt, dass die magnetische Reaktion eines nur wenige Atome dicken antiferromagnetischen Halbleiters über einen breiten Spektralbereich abgestimmt werden kann (Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06275-2). Den Forschern zufolge ist dies auf die Bildung sogenannter Exziton-Polaritonen zurückzuführen, Quasiteilchen, die teils aus Materie und teils aus Licht bestehen.

Die Quasiteilchen werden typischerweise dadurch realisiert, dass ein außergewöhnlich dünnes Stück Halbleiter in der Mitte eines mikrometergroßen optischen Hohlraums platziert wird. Resonante Lichtwellen setzen Elektronen im Material frei und erzeugen Elektron-Loch-Paare, sogenannte Exzitonen. Wenn verschmelzende Paare Strahlung mit einer Frequenz aussenden, die der des Lichts im Hohlraum sehr ähnlich ist, bilden die Photonen und Exzitonen eine eigenständige Einheit: ein Exziton-Polariton.

In der neuesten Arbeit haben Vinod Menon vom City College of New York, USA, und Kollegen diese Licht-Materie-Kopplung in Kristallen untersucht, die aus mehreren Schichten eines Halbleiters aus Chrom, Sulfid und Brom bestehen, wobei jede Schicht nur einige hundert beträgt Nanometer dick. Sie konnten Licht im Inneren der Kristalle sowohl mit Spiegeln an beiden Enden der Proben als auch ohne Spiegel einfangen – im letzteren Fall nutzten sie die ungewöhnlich große Dielektrizitätskonstante des Materials im Vergleich zu seiner Umgebung.

Anstelle einer einzelnen Resonanz – wie es nur bei einem Exziton zu erwarten wäre – beobachteten die Forscher stattdessen optische Signale bei mehreren Frequenzen und damit Energien.

Menon und Kollegen demonstrierten zunächst die rein optischen Eigenschaften der Kristalle, indem sie sie mit grünem Laserlicht bestrahlten und die Photolumineszenz maßen. Anstelle einer einzelnen Resonanz – wie es nur bei einem Exziton zu erwarten wäre – beobachteten die Forscher stattdessen optische Signale bei mehreren Frequenzen und damit Energien. Durch die Kombination dieser experimentellen Ergebnisse mit theoretischen Modellen kam das Team zu dem Schluss, dass die Emissionen das Ergebnis der Dispersion durch Exziton-Polaritonen sein müssen.

Mit diesem Ergebnis im Gepäck untersuchten die Forscher den Einfluss von Magnetfeldern auf diese Dispersion. Wie sie in der Arbeit darlegen, besteht ein Antiferromagnet aus kleinen Bereichen entgegengesetzt ausgerichteter atomarer oder molekularer magnetischer Momente ohne Nettomagnetisierung. Wird das Material jedoch einem Magnetfeld ausgesetzt, wird es zu einem Ferromagneten, bei dem alle magnetischen Momente in die gleiche Richtung ausgerichtet sind. Der Effekt ist nicht schwarz-weiß; Zwischenfelder führen dazu, dass die magnetischen Momente benachbarter Regionen teilweise ausgerichtet werden.

Menon und Kollegen untersuchten die Wirkung eines externen Magnetfelds auf die verschiedenen Zweige der Polaritonendispersion. Der Zweig mit der höchsten Energie entspricht einem reinen Exziton (das sie eher simuliert als gemessen haben), wobei Zweige mit zunehmend niedrigerer Energie immer photonenartiger werden. Die Forscher fanden heraus, dass eine Erhöhung der Stärke des Magnetfelds die Energie aller Zweige verringerte, die der exzitonenähnlichen Zweige jedoch am stärksten verringerte.

Während Kristalle mit sehr wenigen Schichten bei Energien deutlich unterhalb der Exzitonenresonanz transparent sind, erfährt das Material des Teams – das aus mehr Schichten besteht – stattdessen große Veränderungen im optischen Reflexionsgrad, wenn es Magnetfeldern ausgesetzt wird, so die Forscher.

Das Gleiche galt jedoch nicht für das Reflexionsvermögen. Wie bei seiner Energie könnte auch das Reflexionsvermögen eines Polaritons durch das äußere Feld verändert werden. Aber in diesem Fall sahen die Forscher den größten Effekt bei eher photonenähnlichen Polaritonen. Bei reinen Exzitonen hingegen war die Modulation minimal. Mit anderen Worten: Während Kristalle mit sehr wenigen Schichten bei Energien deutlich unterhalb der Exzitonenresonanz transparent sind, erfährt das Material des Teams – das aus mehr Schichten besteht – stattdessen große Veränderungen im optischen Reflexionsgrad, wenn es Magnetfeldern ausgesetzt wird, so die Forscher.

Schließlich untersuchten die Forscher die Wirkung zeitabhängiger Felder in Form magnetischer Störungen, sogenannter Magnonen, die auch die Ausrichtung zwischen den beiden Magnetisierungen in einem Antiferromagneten modulieren sollen. Mithilfe von Pump-Probe-Messungen fanden die Forscher heraus, dass das relative Reflexionsvermögen zweier verschiedener Exzitonen-ähnlicher Zweige variierte, während die Magnonenschwingungen durch ihre Kristalle fegten. „Wie bei der Reaktion auf ein statisches Feld“, schreiben sie, „erhöhen Polaritonen die spektrale Bandbreite dieses magnetooptischen Effekts erheblich.“

Um die Forschung für praktische Zwecke zu nutzen, wollen Menon und Kollegen nanophotonische Chips entwickeln, die elektrische Ströme nutzen, um Magnonen und Polaritonen anzuregen. Sie sagen, dass solche Geräte in der Quantentransduktion (Umwandlung von Mikrowellen in Licht im nahen Infrarotbereich), in Speichergeräten und bei neuartigen Lichtemittern Verwendung finden könnten.

Veröffentlichungsdatum: 23. August 2023