光学およびフォトニクスのニュース

エドウィン・カートリッジリッジ

米国、チェコ共和国、スペインの研究者らは、励起子ポラリトンとして知られる準粒子の形成のおかげで、磁性結晶内に閉じ込められた光がその磁気光学相互作用を強力に強化できることを示した。 [画像: レズリンド・ブシャティ]

磁性材料の光に対する反応を利用すれば、磁気レーザーから新しいメモリデバイスに至るまで、あらゆる種類の新技術につながる可能性があります。 しかし、ほとんどの自然発生物質における磁気光学効果は小さく、識別するには高出力レーザーまたは高感度の光検出器のいずれかが必要です。

今回、科学者たちは、わずか数原子の厚さの反強磁性半導体の磁気応答が、広いスペクトル範囲にわたって調整できることを示しました (Nature、doi: 10.1038/s41586-023-06275-2)。 研究者らによると、これは励起子ポラリトンとして知られる、部分的に物質で部分的に光である準粒子の形成によるものであるという。

準粒子は通常、マイクロメートルサイズの光キャビティの中心に非常に薄い半導体片を配置することによって実現されます。 共鳴光波は材料内の電子を解放し、励起子として知られる電子と正孔のペアを生成します。 結合対が空洞内の光の周波数と非常によく似た周波数の放射線を放出すると、光子と励起子は別個の実体、つまり励起子 - ポラリトンを形成するようになります。

最新の研究で、米国ニューヨーク市立大学のヴィノード・メノンらは、クロム、硫化物、臭素から作られた半導体の複数の層からなる結晶におけるこの光と物質の結合を研究した。各層はわずか数百である。ナノメートルの厚さ。 彼らは、サンプルの両端に鏡を付けた場合と付けなかった場合の両方で、結晶内部に光を閉じ込めることに成功した。後者の場合は、周囲に比べて材料の誘電率が異常に大きいことを利用した。

研究者らは、励起子のみの場合に予想される単一の共鳴ではなく、複数の周波数、つまりエネルギーで光信号を観察しました。

Menonらは、緑色レーザー光を結晶に照射し、フォトルミネッセンスを測定することによって、結晶の純粋な光学的特性を初めて実証した。 研究者らは、励起子のみの場合に予想される単一の共鳴ではなく、複数の周波数、つまりエネルギーで光信号を観察しました。 これらの実験結果を理論モデルと組み合わせて、研究チームは、発光は励起子 - ポラリトンによる分散の結果であるに違いないと結論付けました。

その結果をバッグに入れて、研究者らはこの分散に対する磁場の影響を調査し続けました。 彼らが論文で指摘しているように、反強磁性体は、正味の磁化を持たず、逆に並んだ原子または分子の磁気モーメントの小さな領域で構成されています。 しかし、磁場にさらされると、その材料はすべての磁気モーメントが同じ方向に並ぶ強磁性体になります。 効果は白か黒かではありません。 中間磁場により、隣接する領域からの磁気モーメントが部分的に整列します。

Menonらは、ポラリトン分散のさまざまな分岐に対する外部磁場の影響を調べた。 最高エネルギーの分岐は純粋な励起子 (測定ではなくシミュレーションした) に対応し、徐々にエネルギーの低い分岐はより光子らしくなります。 研究者らは、磁場の強度を増加させるとすべての分岐のエネルギーが減少するが、励起子のような分岐のエネルギーが最も減少することを発見した。

研究者らによると、層が非常に少ない結晶は励起子共鳴より大幅に低いエネルギーでは透明であるが、より多くの層を有するチームの材料は磁場にさらされると光反射率が大きく変化するという。

しかし、反射率については同様ではありませんでした。 そのエネルギーと同様に、ポラリトンの反射率は外部場によって変化する可能性があります。 しかし、この場合、研究者らは、より光子に近いポラリトンによる最大の効果を確認しました。 一方、純粋な励起子の場合、変調は最小限でした。 言い換えれば、層が非常に少ない結晶は励起子共鳴より大幅に低いエネルギーで透明であるのに対し、研究チームの材料（より多くの層がある）では磁場にさらされると光反射率が大きく変化する、と研究者らは述べている。