Ученые из Корнеллского университета доказали, что экситоны — квазичастицы, представляющие собой связанную пару электрона и электронной «дырки», — могут не просто фиксировать магнитные процессы, но и выступать активным инструментом управления ими. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Materials, открывают принципиально новый метод манипуляции магнитными состояниями веществ с помощью светового излучения.
Новый взгляд на экситоны в спинтронике
Ранее научное сообщество рассматривало экситоны преимущественно как инструмент для наблюдения за квантовым состоянием спинов электронов. Однако группа исследователей под руководством Юн Джу (Юнис) Бэ обнаружила, что в двумерном магнитном полупроводнике, таком как бромид сульфид хрома (CrSBr), возбужденные светом экситоны способны генерировать спиновый момент. Это открытие имеет фундаментальное значение для спинтроники — области электроники, где информация обрабатывается не электрическим зарядом, а спином электрона. Устройства на базе этой технологии теоретически способны работать эффективнее современных процессоров и выделять значительно меньше тепловой энергии.
Управление магнитным состоянием через лазерный импульс
Традиционные методы управления спинами в электронике предполагают использование громоздких металлических конструкций и подачу электрических токов. В новой работе ученые доказали, что достаточно сформировать внутри материала «резервуар» экситонов с помощью короткого лазерного импульса.
Эффект оказался крайне необычным, так как экситоны являются электрически нейтральными частицами. Выяснилось, что они влияют на магнитную систему, изменяя ее энергетический баланс: в зависимости от настроек системы экситоны могут либо подавлять спиновые колебания, либо подпитывать их энергией.
Динамика магнитных состояний
В ходе экспериментов, проведенных методом «накачка-зондирование», ученые зафиксировали необычное поведение магнитной системы. При низкой мощности лазерного воздействия она проявляла свойства типичного осциллятора. Однако повышение интенсивности лазера приводило к тому, что колебания становились пилообразными и резко асимметричными. Это происходит из-за постоянного обмена энергией между спинами электронов и экситонным резервуаром.
Перспективы для ИИ и памяти будущего
Важной особенностью обнаруженного процесса является инерционность: воздействие на магнитную систему сохраняется даже после того, как лазерный импульс прекращается. При высокой интенсивности возбуждения материал переключается между ферромагнитным и различными антиферромагнитными состояниями.
Авторы исследования полагают, что данный механизм станет основой для создания принципиально новых оптоспинтронных устройств и энергонезависимой памяти. Кроме того, технология может найти применение в нейроморфных вычислениях — вычислительных архитектурах, имитирующих работу человеческого мозга и идеально подходящих для современных задач искусственного интеллекта.
