Световые экситоны получили контроль над магнитами — прорыв в создании ИИ-чипов и памяти

Квазичастицы, которые ранее воспринимались лишь как инструмент для наблюдения, были превращены в средство управления магнитными состояниями

Исследователи из Корнеллского университета продемонстрировали, что экситоны — связанные пары электрона и оставленной им положительной «дырки» — обладают способностью не только фиксировать магнитные процессы в материалах, но и активно ими управлять. Исследование, опубликованное в журнале Nature Materials, иллюстрирует новый метод воздействия на магнитные состояния с помощью света.

Ранее экситоны в основном использовались как инструмент для наблюдения за расположением спинов — квантового свойства электронов, отвечающего за магнитные эффекты. Но группа под руководством Юн Джу (Юнис) Бэ (Youn Jue «Eunice» Bae) выявила, что в двумерном магнитном полупроводнике бромиде сульфида хрома (CrSBr) возбужденные светом экситоны могут создавать спиновый момент, изменяющий магнитное состояние материала.

Это открытие имеет большое значение для спинтроники — области электроники, использующей не электрический заряд, а спин электронов для хранения и обработки информации. Подобные устройства потенциально могут выделять меньше тепла и работать более эффективно по сравнению с современными микросхемами.

Обычно управление спинами требует сложных металлических структур и электрических токов, однако в данном исследовании оказалось достаточно создать внутри материала «резервуар» экситонов с помощью лазерного импульса.

Эффект оказался неожиданным, так как экситоны являются электрически нейтральными и долгое время считались неспособными непосредственно влиять на магнитные процессы. Вместо механического воздействия они изменяют энергетический баланс спиновой системы, в зависимости от конфигурации либо подавляя колебания, либо, наоборот, подавая им энергию.

При слабом возбуждении магнитная система вела себя как обычный осциллятор, однако с увеличением мощности лазера колебания стали резко асимметричными и приобрели пилообразный вид. Учёные выяснили, что это связано с постоянным обменом энергии между спинами и созданным светом резервуаром экситонов.

Особенность эффекта заключается в том, что воздействие продолжается даже после завершения сверхкороткого лазерного импульса. При высокой интенсивности возбуждения магнитная система многократно переходила между различными состояниями, включая ферромагнитное и несколько антиферромагнитных режимов.

Эксперименты проводились методом «накачка-зондирование»: первый лазерный импульс создавал экситоны и инициировал магнитную динамику, а второй с заданной задержкой фиксировал дальнейшую эволюцию системы. В качестве платформы использовался CrSBr — устойчивый к воздействию воздуха двумерный материал, который можно расщеплять до атомарной толщины и который сочетает магнитный порядок с сильными экситонными взаимодействиями.

Авторы полагают, что обнаруженный механизм может быть применен в оптоспинтронных устройствах, спинтронной памяти и системах преобразования квантовой информации. Кроме того, один из участников исследования уже рассматривает возможность применения подобных магнитных систем в нейроморфных вычислениях — архитектурах, вдохновленных работой человеческого мозга и перспективных для задач машинного обучения.