Un défi majeur de la recherche dans le domaine des nanotechnologies consiste à trouver des moyens efficaces de contrôler la lumière, une capacité essentielle pour l'imagerie à haute résolution, les biocapteurs et les téléphones portables. Parce que la lumière est une onde électromagnétique qui ne porte pas de charge elle-même, il est difficile de la manipuler avec une tension ou un champ magnétique externe. Pour résoudre ce défi, les ingénieurs ont trouvé des moyens indirects de manipuler la lumière en utilisant les propriétés des matériaux à partir desquels la lumière se reflète. Cependant, le défi devient encore plus difficile à l'échelle nanométrique, car les matériaux se comportent différemment dans des états atomiquement minces.

Deep Jariwala, professeur adjoint en génie électrique et des systèmes, et ses collègues ont découvert une propriété magnétique dans les matériaux antiferromagnétiques qui permet la manipulation de la lumière à l'échelle nanométrique et relie simultanément le matériau semi-conducteur au magnétisme, une lacune que les scientifiques ont tenté de combler depuis des décennies. Ils ont décrit leurs découvertes dans une étude récente publiée dans Nature Photonics .

En collaboration avec Liang Wu, professeur adjoint au Département de physique et d'astronomie de la Penn's School of Arts and Sciences, ainsi qu'avec les étudiants diplômés Huiqin Zhang, doctorant au laboratoire de Jariwala, et Zhuoliang Ni, doctorant au laboratoire de Wu, les chercheurs décrivent la propriété magnétique de FePS3, un matériau semi-conducteur antiferromagnétique. Christopher Stevens et Joshua Hendrickson du Air Force Research Laboratory et de KBR, Inc. dans l'Ohio, ainsi qu'Aofeng Bai et Frank Peiris du Kenyon College dans l'Ohio ont également contribué à ce travail.

"Les recherches de notre laboratoire se concentrent sur la recherche de nouveaux matériaux pour l'électronique, les ordinateurs, le stockage d'informations et la récupération et la conversion d'énergie", explique Jariwala. "La classe de matériaux que nous examinons sont les matériaux bidimensionnels de van der Waals atomiquement minces, et plus spécifiquement, ceux qui sont semi-conducteurs."

Les matériaux magnétiques sont classés en tant que ferromagnétiques ou antiferromagnétiques. Les antiferromagnétiques sont des matériaux qui contiennent des lignes d'électrons tournant dans une direction à côté de lignes d'électrons tournant dans la direction opposée, annulant toute force d'attraction ou de répulsion typique des aimants, tandis que les ferromagnétiques sont ceux dont les électrons tournent tous dans la même direction et produisent leur propre champ magnétique.

Le matériau antiferromagnétique utilisé dans cette étude, FePS3, ou trisulfure de fer et de phosphore, est un semi-conducteur dont les propriétés optiques uniques dépendent de l'alignement de la direction de son spin électronique.

"Théoriquement, en appliquant un champ magnétique externe à ce semi-conducteur 2D antiferromagnétique, nous pouvons modifier ses propriétés optiques", explique Jariwala. "Et c'est ainsi que vous utilisez une propriété magnétique pour manipuler la lumière. Après avoir établi le lien entre le magnétisme et la manipulation de la lumière, nous entrons dans le domaine de la" magnétophotonique ", un domaine de recherche qui, je pense, se développera considérablement dans les cinq à dix prochaines années. ans."

L'article ne décrit pas seulement l'utilisation des propriétés magnétiques du matériau pour contrôler la lumière, il souligne qu'il existe également une propriété physique du matériau impliqué.

"Nous constatons également que pour des épaisseurs spécifiques, ce matériau antiferromagnétique agit comme une cavité qui améliore considérablement son interaction avec la lumière et son altération avec la propriété magnétique", explique Jariwala. "Ceci est important lorsque l'on essaie de développer une technique efficace de contrôle de la lumière."

"Imaginez la cavité du matériau comme l'espace entre deux miroirs parallèles", dit-il. "Debout dans cet espace, vous verrez un nombre infini de vos propres réflexions, qui se produisent parce que la lumière que vous observez interagit plusieurs fois avec le milieu des miroirs. Plus la lumière a d'interactions avec le milieu avant qu'elle ne s'échappe, le plus fort l'effet optique. En créant une cavité hautement interactive en modifiant l'épaisseur du matériau, nous pouvons produire de fortes réponses optiques, seulement maintenant elles sont également guidées par la propriété magnétique du semi-conducteur."

Les travaux de Jariwala associent les propriétés magnétiques et optiques des nanomatériaux antiferromagnétiques, ouvrant les portes à l'ingénierie de la lumière pour les applications de haute technologie.

La manipulation de la lumière n'est pas seulement importante pour le progrès technologique, c'est aussi un outil utilisé pour caractériser les matériaux.

"Ce travail est également lié à une étude précédente dirigée par Liang qui a démontré la capacité de la microscopie de génération de deuxième harmonique à imager directement l'alignement de spin dans un semi-conducteur antiferromagnétique différent au niveau de la monocouche", déclare Jariwala.

"Ce type de microscopie est un moyen spécialisé d'observer une propriété optique unique présente uniquement dans certains matériaux. Grâce à cette technique de microscopie spécialisée, nous pouvons désormais caractériser les matériaux et cartographier leurs propriétés magnétiques avec une épaisseur de quelques atomes seulement. Ces articles mettent en évidence l'importance des propriétés optiques à la fois pour mieux comprendre les matériaux et pour développer de nouveaux types de techniques d'imagerie et de microscopie." dit Wu

Les prochaines étapes des chercheurs consisteront à mettre en pratique la théorie de la manipulation de la lumière par le magnétisme en appliquant activement des champs magnétiques à des spins d'orientation sélectionnés dans des matériaux antiferromagnétiques, en testant la capacité de créer des circuits magnétophotoniques.

"Nous sommes très enthousiasmés par ces observations, notamment parce qu'elles concernent des matériaux semi-conducteurs où nous possédons divers autres boutons de manipulation", déclare Jariwala. "De plus, cette classe de matériaux est beaucoup plus large avec de nombreuses autres combinaisons à explorer, y compris la recherche de moyens d'augmenter les températures de transition magnétique. Nous cherchons maintenant à trouver et à concevoir des moyens de manipuler la lumière à l'intérieur de ces matériaux à l'aide de plusieurs boutons de commande et de voir comment fortement, nous pouvons les accorder dans de vrais appareils." + Explorer plus loin

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