برمید سولفید کروم (CrSBr) یک ماده جذاب برای دانشمندان است، زیرا می‌تواند اطلاعات کوانتومی را به روشی که هیچ ماده دیگری قادر به انجام آن نیست، مدیریت کند. این احتمالا تنها ماده شناخته شده‌ای است که از رمزگذاری اطلاعات با استفاده از نور، بار الکتریکی، ارتعاشات مشابه صدا و مغناطیس پشتیبانی می‌کند. اما اینها تمام قابلیت‌های آن نیستند، یک مطالعه جدید یک ابرقدرت هیجان‌انگیز دیگر از این ماده عجیب و غریب را نمایان کرده است.

به نقل از آی‌ای، دانشمندان کشف کرده‌اند که ویژگی‌های مغناطیسی عجیب برمید سولفید کروم به آن اجازه می‌دهد تا به طور مؤثر اکسیتون‌ها را به دام انداخته و کنترل کند. اکسیتون یک شبه ذره‌ خنثی است که در عایق‌ها، نیم‌رساناها و برخی مایعات وجود دارد. نویسندگان مطالعه خاطرنشان کردند: اکسایتون‌ زمانی تشکیل می‌شود که یک الکترون از حالت انرژی پایه خود در حالت نیمه هادی به حالت انرژی بالاتر منتقل شود و یک «حفره» را پشت سر خود به جای بگذارد. الکترون و حفره ‌با هم ترکیب می‌شوند و آن حالت جمعی یک اکسایتون است.

این تحقیق نشان می‌دهد که ترتیب مغناطیسی کروم سولفید برومید را می‌توان با تغییر دما روشن یا خاموش کرد. این تغییر در مغناطیس بر نحوه رفتار اکسیتون‌های درون ماده تأثیر می‌گذارد.

روپرت هوبر (Rupert Huber)، یکی از نویسندگان این مطالعه و استاد فیزیک در دانشگاه رگنسبورگ در آلمان، می‌گوید: ترتیب مغناطیسی یک دکمه تنظیم جدید برای شکل دادن اکسیتون‌ها و تعاملات آنها است. این می‌تواند برای صنعت الکترونیک و فناوری اطلاعات در آینده متحول کننده باشد.

کنترل اکسیتون‌ها به گونه‌ای که هرگز انجام نشده

اکسایتون‌ها اهمیت زیادی دارند، زیرا به ما کمک می‌کنند بفهمیم نور و انرژی چگونه در مواد حرکت می‌کنند و به ویژه در فناوری‌هایی مانند سلول‌های خورشیدی، ال‌ای‌دی‌ها و رایانه‌های کوانتومی مورد توجه هستند. نویسندگان مطالعه آزمایش جالبی را برای بررسی رفتار آنها در داخل برمید سولفید کروم انجام دادند.

آنها از پالس‌های لیزری فوق‌کوتاه با طول تنها ۲۰ کوادریلیونم ثانیه برای ایجاد اکسیتون‌ها در داخل برمید سولفید کروم استفاده کردند. سپس، آنها از لیزر دوم استفاده کردند تا اکسیتون‌ها را به آرامی به حالت‌های انرژی کمی بالاتر برانند.

چیزی که آنها دریافتند شگفت‌انگیز بود. اکسیتون‌ها به جای داشتن یک سطح انرژی، به دو سطح انرژی متمایز تقسیم شدند و پدیده‌ای که به عنوان ساختار ظریف شناخته می‌شود، رخ داد. همچنین مشاهده شد که اکسایتون‌ها بسته به جهتی که در ماده حرکت می‌کنند، رفتار متفاوتی داشتند.

به عنوان مثال، در دماهای بسیار سرد، برمید سولفید کروم مغناطیسی می‌شود. بنابراین، در داخل هر یک از لایه‌های آن، میدان‌های مغناطیسی ریز الکترون‌ها در یک ردیف قرار می‌گیرند، اما در جهت مخالف از یک لایه به لایه دیگر قرار می‌گیرند. این حالت «ضد فرومغناطیسی» نامیده می‌شود. در اینجا، اکسیتون‌ها در داخل یک لایه به دام افتاده‌اند و فقط در یک جهت حرکت می‌کنند.

با این حال، در دماهای گرم‌تر، برمید سولفید کروم خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهد و گرما باعث می‌شود که اسپین الکترون در جهت‌های تصادفی باشد. در این حالت، اکسیتون‌ها دیگر محدود نمی‌شوند. آنها در چندین لایه پخش می‌شوند و آزادانه در همه جهات حرکت می‌کنند و رفتار سه بعدی از خود نشان می‌دهند.

اسپین از خاصیت‌های بنیادی ذرات زیراتمی است که معادل کلاسیک ندارد و یک خاصیت کوانتومی به‌شمار می‌آید.

این توانایی به دام انداختن یا آزاد کردن اکسیتون‌ها بر اساس دما یا میدان های مغناطیسی مانند چرخاندن یک کلید مغناطیسی است. این یک راه قدرتمند برای کنترل جریان اطلاعات در سیستم‌های کوانتومی را نشان می‌دهد.

ماتیاس فلوریان (Matthias Florian)، یکی از اعضای گروه تحقیقاتی خاطرنشان کرد: از آنجایی که درجات آزادی الکترونیکی، فوتونیک و اسپین به شدت در هم تنیده شده‌اند، جابه‌جایی بین حالت مغناطیسی و غیر مغناطیسی می‌تواند به عنوان یک راه بسیار سریع برای تبدیل اطلاعات کوانتومی مبتنی بر فوتون و اسپین عمل کند.

مرحله بعدی تبدیل اطلاعات است

اکنون هدف نویسندگان این مطالعه بررسی این است که آیا اکسایتون‌ها می‌توانند به عنوان پلی برای انتقال اطلاعات کوانتومی بین سیستم‌های فیزیکی مختلف عمل کنند یا خیر. به عنوان مثال، آیا می‌توان پیامی را که توسط یک اکسایتون حمل می‌شود، به اسپین الکترون منتقل کرد؟

این مهم است، زیرا اگر دانشمندان بتوانند اطلاعات کوانتومی را به آرامی بین فوتون‌ها، اکسایتون‌ها و اسپین‌های الکترون به هم تبدیل کنند، سیستم‌های کوانتومی بسیار متنوع‌تر می‌شوند و فرصت‌های جدیدی برای ساخت فناوری‌های پیشرفته‌تر ممکن می‌شود.

این مطالعه در مجله Nature Materials منتشر شده است.