Cudowny materiał kwantowy może przechowywać dane w jednym wymiarze

Niezwykłe możliwości przechowywania informacji udało się odkryć za sprawą zjawiska znanego jako przełączanie magnetyczne, w którym polaryzacja magnetyczna materiału zostaje odwrócona. Chodzi tu o bromek siarczku chromu (CrSBr), znany z niezwykłych właściwości kwantowych i możliwości występowania jako ultracienka, niemal dwuwymiarowa struktura z kilku warstw atomów. A co, gdyby pozbyć się jeszcze jednego wymiaru?

Wcześniejsze badania pokazały, że ekscytony (kwazicząstki, stan związany elektronu i dziury elektronowej) mogą tworzyć jednowymiarową linię wewnątrz CrSBr. Teraz naukowcy zademonstrowali i wyjaśnili, jak się to odnosi do porządku magnetycznego w tym materiale. Dzięki zachodzącym tam efektom możliwe będzie tworzenie komputerów kwantowych zdolnych do przetwarzania informacji w niespotykany dotąd sposób.

"Długoterminowa wizja jest taka, że będzie można potencjalnie budować maszyny lub urządzenia kwantowe, które używają tych trzech lub nawet wszystkich czterech właściwości: fotonów do przenoszenia informacji, elektronów do przetwarzania informacji poprzez ich interakcje, magnetyzmu do przechowywania informacji oraz fononów do modulowania i transdukowania informacji do nowych częstotliwości" - wyjaśnia Mackillo Kira, profesor EECS na University of Michigan i współautor badania.

Niezwykły efekt zachodzi dzięki magnetyzmowi. W temperaturze -141°C warstwy bromku siarczku chromu ulegają namagnesowaniu, elektrony - uporządkowaniu, a ekscytony - uwięzieniu. Kierunek pola magnetycznego "przełącza się" w każdej kolejne warstwie CrSBr. Jest to struktura antyferromagnetyczna. Z kolei powyżej tej temperatury materiał traci namagnesowanie, a elektrony znów poruszają się swobodnie w losowych kierunkach. Ekscytony mogą się zaś rozchodzić po kolejnych warstwach, tworząc trójwymiarowy układ.

Kiedy jednak bromek siarczku chromu przyjmuje dwuwymiarową grubość jednego atomu, ekscytony tworzą jednowymiarową linię i mogą przemieszczać się tylko w prawo i w lewo (albo do tyłu i do przodu - zależy, jak na to patrzeć). Pozwala to wykorzystać je w urządzeniu kwantowym do przechowywania informacji. To wyjątkowo stabilny nośnik w tych niezwykle delikatnych warunkach. Istnieje bowiem małe ryzyko, że te kwazicząstki będą się zderzać i utracą informacje poprzez dekoherencję (czyli utratę informacji kwantowej przez interferencję).

Naukowcy stworzyli ekscytony w CrSBr, uderzając w próbkę impulsami światła podczerwonego o długości 20 kwadrylionowych sekundy. Następnie wprawili je w wyższe stany energii innym laserem podczerwonym. Odkryli przy tym dwie wariacje ekscytonu o różnych energiach. Takie rozszczepienie poziomów energetycznych znane jest jako subtelna struktura.

Okazało się, że w zależności od kąta strzelania impulsami ekscytony mogą układać się w linie albo rozszerzać na trzy wymiary. Ich konfiguracje z 1D do 3D można modyfikować dzięki zmianom zewnętrznego pola magnetycznego albo temperatury. "Porządek magnetyczny to nowe pokrętło do kształtowania ekscytonów i ich interakcji. To może być game changer dla przyszłej elektroniki i technologii informacyjnej" - skomentował Rupert Huber, profesor fizyki eksperymentalnej i stosowanej na Uniwersytecie w Ratyzbonie i główny autor badania.

"Jako że stopnie swobody elektroniki, fotoniki i spinów są silnie powiązane, przełączanie między stanami namagnesowania i nienamagnesowania może służyć jako ekstremalnie szybki sposób konwertowania informacji kwantowej opartej na fotonach i spinach" - dodają współautorzy Matthias Florian i Marlene Liebich z uniwersytetów w Michigan i Ratyzbonie.

Zespół planuje jeszcze zbadać, "czy ekscytony ucieleśnione w rozdzieleniu ładunku może być przekonwertowane do wzbudzeń magnetycznych ucieleśnionych w spinach elektronów" - czytamy w oświadczeniu. Jeśli tak, mogłoby to oznaczać możliwość konwertowania informacji kwantowej między fotonami, ekscytonami i spinami, co otworzyłoby jeszcze większe możliwości ich przetwarzania.

Źródło: Liebich, M., Florian, M., Nilforoushan, N. et al. Controlling Coulomb correlations and fine structure of quasi-one-dimensional excitons by magnetic order. Nat. Mater. 24, 384-390 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02120-1