Polarytony magnonowo-plazmonowe: nowe kwazicząstki w ciele stałym

Głównym celem projektu Spin-2-Plasm jest zademonstrowanie i zbadanie funkcjonalności nowego typu niskoenergetycznego Wzbudzenia: hybrydowe mody magnon-plazmon. Takie kwazicząstki pozwolą na kontrolę elektryczną i odczyt stany magnetyczne o częstotliwościach terahercowych (THz), które są niezbędne do ultraszybkiej komunikacji, pamięci i innych technologii. Obecne badania nad dwuwymiarowymi materiałami antyferromagnetycznymi (2DAFM) oferują bezprecedensowe możliwość pokazania takiego sprzężenia z wykorzystaniem magnonów w 2DAFM i plazmonów w dwuwymiarowym gazie elektronowym (2DEG). Ten jest możliwe, ponieważ oba wzbudzenia mają częstotliwości rezonansowe w tym samym zakresie częstotliwości terahercowych (THz). Ten efekt można zaobserwować w heterostrukturach o wysokiej ruchliwości elektronów 2DEG sprzężonych z 2DAFM, zgodnie z przewidywaniami teoretycznie. Postanowiliśmy również osiągnąć sprzężenie magnon-plazmon za pomocą pośredniczącego trybu wnęki elektromagnetycznej. W przypadku tej drugiej metody, jako pośredni krok do osiągnięcia naszego celu, planujemy również osiągnąć silny magnon-foton sprzężenie na częstotliwościach THz z małymi objętościami 2DAFM. Można to osiągnąć, umieszczając 2DAFM w dzielonym pierścieniu rezonator (SRR). Szczególna uwaga zostanie zwrócona na zaprojektowanie takiego rezonatora, który nadawałby się konkretnie do tego celu, ponieważ Typowo takie rezonatory są zaprojektowane do sprzęgania się z dielektrycznymi, a nie magnetycznymi właściwościami materii. To już było pokazane że polarytony plazmonów są tworzone z SRR na szczycie 2DEG przy użyciu metod THz. Tutaj chcemy obserwować magnonpolarytony z wykorzystaniem metod optycznych THz i rozpraszania Ramana. Obserwacja sprzężenia magnon-foton za pomocą THz techniki te pozwoliłyby na wykrycie rezonansu w kilkuwarstwowych 2DAFM lub cienkich warstwach magnetycznych. Ponadto obserwacja silnego sprzężenia magnon-foton za pomocą rozpraszania Ramana otworzyłaby nową drogę badań w tym zakresie technikę, ponieważ nie jest ona używana do badań nad sprzężeniami magnon-foton. Ogólnie rzecz biorąc, obserwacja optyczna magnonpolarytonów THz jest atrakcyjna z naukowego punktu widzenia, ponieważ badania nad silnym sprzężeniem światło-materia w zakresie THz są znacznie mniejsze rozwinięte niż w innych częściach widma elektromagnetycznego. Co więcej, wzbudzenia magnetyczne mają tę zaletę, że wąskie linie, które mają kluczowe znaczenie dla badań i zastosowań sprzęgania światło-materia. Pomyślne wyniki tej części propozycja ta może posłużyć, podobnie jak inne systemy polarytonowe, jako platforma dla przyszłych badań nad efektami kwantowymi w 2DAFM. W Spin-2-Plasm chcielibyśmy badać oddziaływanie dwóch różnych wzbudzeń THz - magnonów i plazmonów - które są bardzo rzadko badane razem. Oczekuje się, że interakcja tych dwóch rodzajów fal doprowadzi do powstania nowych modów hybrydowych, umożliwienie strojenia fal wirowych za pomocą pól elektrycznych. Kilka prac teoretycznych przewiduje hybrydyzację magnon-plazmon w jednym hipotetyczny materiał, w którym znajdują się te dwa wzbudzenia. Uważamy jednak, że pomysł połączenia dwóch różnych materiały mają większe szanse na sukces. Istnieją przewidywania dotyczące takiego sprzężenia w heterostrukturach 2DAFM/2DEG. Zarówno plazmony w 2DEG, jak i magnony w 2DAFM mają częstotliwości w zakresie THz, co czyni je idealnymi kandydatami do uzyskania sprzężenia magnon-plazmon.W związku z tym obecne osiągnięcia w dziedzinie 2DAFM oferują bezprecedensowy możliwość uzyskania sprzężenia magnon-plazmon. Wyniki sprzężenia magnon-foton, opisane w poprzednim artykule paragraf, może pozwolić na sprzężenie magnon-plazmon poprzez tryb wnęki elektromagnetycznej rezonujący z podobną częstotliwością. Struktury powstałe w ramach tej propozycji zostaną również wykorzystane do elektrycznej detekcji ich rezonansów. Elektryczny wykrywanie stanów polarytonowych może zapewnić lepszą reakcję na promieniowanie THz, ponieważ zastosowano tryby wnęki skoncentrować energię elektromagnetyczną. Styki elektryczne oferują również możliwość elektrycznej manipulacji właściwościami 2DAFM, co pod względem zastosowań jest najcenniejszym wynikiem proponowanych badań. Wykonalność projektu jest poparta wstępnymi wynikami spektroskopii wnioskodawcy, wykazującymi silne magnonfotony sprzężenie przy około 0,4 THz przy użyciu próbki zbiorczej 2DAFM MnPSe3 we wnęce typu Fabry'ego-Pérota. Doświadczenie zdobyte w ramach projektu wnioskodawcy oraz Instytutowi Wysokich Ciśnień w zakresie technik THz, przetwarzania materiałów dwuwymiarowych, oraz przetwarzanie technologiczne poparte doświadczeniem w teoretycznym modelowaniu magnetyzmu na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Poznaniu zapewnia pomyślną realizację propozycji.