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에드윈 카트리지

미국, 체코, 스페인의 연구원들은 엑시톤-폴라리톤으로 알려진 준입자의 형성 덕분에 자성 결정 내부에 갇힌 빛이 자기-광학 상호 작용을 강력하게 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. [이미지 : 레즐린드 부샤티]

빛에 대한 자성 재료의 반응을 활용하면 잠재적으로 자성 레이저부터 새로운 메모리 장치에 이르기까지 모든 종류의 신기술이 탄생할 수 있습니다. 그러나 자연적으로 발생하는 대부분의 물질의 자기광학 효과는 작기 때문에 식별하려면 고출력 레이저나 민감한 광학 검출기가 필요합니다.

이제 과학자들은 몇 개의 원자 두께에 불과한 반강자성 반도체의 자기 반응이 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 조정될 수 있음을 보여주었습니다(Nature, doi: 10.1038/s41586-023-06275-2). 연구원들에 따르면, 이는 부분적으로는 물질이고 부분적으로는 빛인 준입자인 엑시톤-폴라리톤(exciton-폴라리톤)으로 알려진 것이 형성되기 때문이라고 합니다.

준입자는 일반적으로 마이크로미터 크기의 광학 공동 중앙에 매우 얇은 반도체 조각을 배치하여 구현됩니다. 공명 광파는 물질에서 전자를 방출하여 엑시톤으로 알려진 전자-정공 쌍을 생성합니다. 병합 쌍이 공동 내 빛의 주파수와 매우 유사한 주파수의 방사선을 방출하면 광자와 엑시톤이 엑시톤-폴라리톤이라는 별개의 개체를 형성하게 됩니다.

최근 연구에서 미국 뉴욕 시티 칼리지의 Vinod Menon과 동료들은 크롬, 황화물 및 브롬으로 만들어진 여러 층의 반도체로 구성된 결정에서 이러한 광물질 결합을 연구했습니다. 각 층은 단지 몇 백 개에 불과합니다. 나노미터 두께. 그들은 샘플의 양쪽 끝에 거울이 있거나 없는 경우 모두 결정 내부에 빛을 가둘 수 있었습니다. 후자의 경우 주변 환경에 비해 재료의 비정상적으로 큰 유전 상수를 이용했습니다.

엑시톤의 경우에만 예상되는 단일 공명 대신 연구원들은 여러 주파수에서 광 신호를 관찰하여 에너지를 관찰했습니다.

Menon과 동료들은 먼저 결정에 녹색 레이저 광을 비추고 광발광을 측정하여 결정의 순수한 광학적 특성을 입증했습니다. 엑시톤의 경우에만 예상되는 단일 공명 대신 연구원들은 여러 주파수에서 광 신호를 관찰하여 에너지를 관찰했습니다. 이러한 실험 결과를 이론적 모델과 결합하여 팀은 방출이 엑시톤-폴라리톤에 의한 분산의 결과임에 틀림없다고 결론지었습니다.

그 결과를 가방에 담아 연구자들은 이 분산에 대한 자기장의 영향을 계속해서 조사했습니다. 그들이 논문에서 지적한 바와 같이, 반강자성체는 순 자화 없이 반대 방향으로 정렬된 원자 또는 분자 자기 모멘트의 작은 영역으로 구성됩니다. 그러나 자기장에 노출되면 물질은 모든 자기 모멘트가 같은 방향으로 정렬되는 강자성체가 됩니다. 효과는 흑백이 아닙니다. 중간 필드는 인접한 영역의 자기 모멘트가 부분적으로 정렬되도록 합니다.

Menon과 동료들은 폴라리톤 분산의 다양한 가지에 대한 외부 자기장의 영향을 조사했습니다. 가장 높은 에너지 가지가 순수한 엑시톤(측정이 아닌 시뮬레이션)에 해당하며, 점차적으로 낮은 에너지 가지가 더 광자와 유사해집니다. 연구진은 자기장의 강도를 높이면 모든 가지의 에너지가 감소하지만 엑시톤과 유사한 가지의 에너지가 가장 많이 감소한다는 것을 발견했습니다.

매우 적은 수의 층을 가진 결정은 엑시톤 공명보다 훨씬 낮은 에너지에서 투명한 반면, 더 많은 층을 가진 팀의 재료는 자기장에 노출될 때 광학 반사율에 큰 변화를 겪는다고 연구진은 말했습니다.

그러나 반사의 경우에는 그렇지 않았습니다. 에너지와 마찬가지로 폴라리톤의 반사율도 외부 장에 의해 변경될 수 있습니다. 그러나 이 경우 연구자들은 더 광자 같은 폴라리톤에서 가장 큰 효과를 보았습니다. 반면에 순수한 엑시톤의 경우 변조가 최소화되었습니다. 즉, 매우 적은 수의 층을 가진 결정은 엑시톤 공명보다 훨씬 낮은 에너지에서 투명한 반면, 연구진에 따르면 더 많은 층을 가진 팀의 재료는 자기장에 노출될 때 광학 반사율에 큰 변화를 겪는다고 합니다.