دانشمندان به تازگی موفق شدند ذرات مگنون (ذرات در حال چرخش با انرژی ثابت) موجود در یک آهنربای دو قطبی را هنگام جفت شدن مگنون و اکسیتون (شبه ذرات خنثی موجود در عایق ها، نیم رساناها و بعضی از مایعات) مشاهده کنند.
بر طبق گزارش های فن تک، جفت شدن مگنون ها (ذرات در حال چرخش با انرژی ثابت) و اکسیتون ها (شبه ذرات خنثی موجود در عایق ها، نیم رساناها و بعضی از مایعات) به محققان این امکان را می دهد که بتوانند جهت های اسپین را شناسایی کنند. نتایج این مطالعه می تواند کاربرد مهمی در شبکه های کوانتومی داشته باشد.
تحقیقات جدید نشان می‌دهد که شبه ذرات در حال چرخش یا مگنون‌ها وقتی با یک شبه ذره ساطع کننده نور یا همان اکسایتون جفت می‌شوند، روشن می‌شوند.
همه آهنرباها حاوی شبه ذرات در حال چرخشی به نام مگنون هستند. این در مورد همه آهنرباها از مگنت های چسبی روی یخچال گرفته تا سی دی هایی که اطلاعات رایانه شما را ذخیره می کنند و همچنین آهنرباهای قوی موجود در آزمایشگاه های تحقیقاتی، صادق است. جهتی که یک مگنون می‌چرخد می‌تواند بر اسپین همسایه‌اش تأثیر بگذارد و به همین ترتیب، امواجی را ایجاد می‌کند که به عنوان امواج اسپین شناخته می‌شوند. امواج اسپین به طور بالقوه می توانند اطلاعات بیشتری نسبت به امواج الکتریسیته منتقل کنند و بنابراین مگنون ها می توانند به عنوان "اتصالات کوانتومی" عمل کرده و بیت های کوانتومی را به ابر رایانه ها برسانند.
اگرچه مگنون ها پتانسیل بسیار زیادی دارند، اما تشخیص آنها بدون تجهیزات پیشرفته آزمایشگاهی کار خیلی سختی است. Xiaoyang Zhu، محقق و پروفسور خاویر روی، استاد دانشکده شیمی دانشگاه کلمبیا معتقدند چنین تنظیماتی برای آزمایش‌ها مناسب است ولی، برای دستگاه‌هایی مانند دستگاه‌های Magnonic و به اصطلاح اسپینترونیک مناسب نیستند. با این حال، دیدن مگنون‌ها را می‌توان با مواد مناسب بسیار ساده‌تر کرد: نیمه‌رسانای مغناطیسی به نام سولفید کروم برمید (CrSBr) که می‌تواند در لایه‌های نازک و دوبعدی اتمی جدا شده و در محیط آزمایشگاه سنتز شود.
نتایج این مطالعه در ژورنال نیچر 7 سپتامبر سال 2022 منتشر شد. زو و همکارانش از دانشگاه کلمبیا، دانشگاه واشنگتن، دانشگاه نیویورک و آزمایشگاه ملی اوک ریج نشان دادند که مگنون‌ها در CrSBr می‌توانند با شبه ذره دیگری به نام اکسایتون جفت شوند و نور از خود ساطع کنند. نور منعکس شده، مکانیزمی را برای "دیدن" مگنون در حال چرخش به محققان ارائه می دهد.
همانطور که آنها مگنون ها را به وسیله نور آشفته کردند، نوساناتی را نیز از اکسیتون ها در محدوده مادون قرمز مشاهده کردند که تقریباً با چشم غیر مسلح قابل دیدن بود. ژو گفت: "برای اولین بار، ما می توانیم مگنون ها را به صورت یک نور ساده ببینیم."
نویسنده اول، پرفسور یون جون (یونیس) بائه از آزمایشگاه ژو، گفت: نتایج مطالعه ما ممکن است به عنوان انتقال کوانتومی یا تبدیل یک انرژی«کوانتومی» به انرژی دیگر در نظر گرفته شود. انرژی اکسیتون ها چهار برابر بزرگتر از انرژی مگنون ها است. بائ توضیح داد زمانی که آنها به شدت با هم جفت می شوند، ما به راحتی می توانیم تغییرات کوچکی که در مگنون ها به وجود می آید مشاهده کنیم. این انتقال ممکن است روزی محققین را قادر به ساخت شبکه‌های اطلاعاتی کوانتومی کند که قادر خواهند بود اطلاعات را از بیت‌های کوانتومی مبتنی بر اسپین که عموماً باید در چند میلی‌متر از یکدیگر قرار گیرند، دریافت کرده و آن را به نور تبدیل کنند، نوعی انرژی که می‌تواند اطلاعات را از طریق فیبرهای نوری تا حداکثر صدها مایل انتقال دهد.
ژو گفت که زمان انسجام، مدت زمانی که نوسانات می توانند ادامه داشته باشند قابل توجه بود و بیشتر از پنج نانوثانیه طول کشید. این پدیده می‌تواند بیش از هفت میکرومتر حرکت کند و امکان ساخت دستگاه‌های اسپینترونیک بر پایه نانو را افزایش دهد. این دستگاه ها روزی قادر خواهند بود جایگزین های کارآمدتری برای الکترونیک امروزی باشند. برخلاف الکترون‌های جریان الکتریکی که در حین حرکت با مقاومت مواجه می‌شوند، در یک موج اسپین هیچ ذره‌ای حرکت نمی‌کند.
دانشمندان قصد دارند، پتانسیل کوانتومی نیمه رسانای CrSBr و همچنین سایر مواد کاندید را مورد بررسی قرار دهند. ژو گفت: «در MRSEC و EFRC، ما در حال بررسی خواص کوانتومی چندین ماده دو بعدی هستیم که می‌توانید آنها را مانند کاغذ روی هم قرار دهید و پدیده‌های فیزیکی جدیدی را به وجود بیاورید.
برای مثال، اگر بتوان ترکیب اکسایتون -مگنون را در انواع دیگری از نیمه هادی های مغناطیسی با خواصی متفاوت نسبت به CrSBr یافت، ممکن است نور را در طیف وسیع تری از رنگ ها ساطع کرد. ژو گفت: "ما در حال مونتاژ جعبه ابزار مخصوص برای ساخت دستگاه های جدید با ویژگی های قابل تنظیم هستیم."
این مطالعه توسط مرکز علوم و مهندسی مواد تحقیقاتی NSF کلمبیا (MRSEC) و مرکز تحقیقات مرزی انرژی (EFRC) با بودجه DOE پشتیبانی شد.