Magnetismus optisch kontrollieren

Wissenschaftler in aller Welt arbeiten daran, Materialien bis auf das atomare Niveau präzise zu kontrol­lieren und solche Materialien miteinander zu kombinieren. Das Ziel dabei ist, neue Hybrid­strukturen zu realisieren, die multi­funktional sind und sich beispiels­weise sowohl für den Einsatz in der Opto­elektronik als auch im Magnetismus eignen. Jetzt ist es einer inter­nationalen Kooperation gelungen, ein solches System herzustellen, das völlig neue Möglich­keiten eröffnet, vor allem für den optisch kontrol­lierten Magnetismus.

„In Kooperation mit unseren inter­nationalen Partnern wurde ein neues Regime der Wechsel­wirkung von Licht und Magnetismus gefunden, das viele spannende Ergebnisse für die Zukunft erwarten lässt“, erläutert Ilya Akimov von der TU Dortmund, der zentrale Unter­suchungen zur Magneti­sie­rungs­dynamik geleitet hat.

Um ihr Ziel zu erreichen, mussten die Wissen­schaftler zunächst die neue Material­struktur ziel­ge­richtet zusammen­bauen. Ausgangspunkt für die neue Struktur war eine einatomare Lage von Molybdän-Diselenid, das für seine intensive Absorption und Emission von Licht bekannt ist. Dieser MoSe₂-Lage sollten magnetische Eigen­schaften aufgeprägt werden. Dazu wurde sie auf einen ultra­dünnen Europium-Sulfid-Kristall aufgebracht. Die gewünschten magnetischen Eigen­schaften wurden erreicht, indem Elektronen aus dem Europium-Sulfid in MoSe₂ injiziert wurden, so dass sich darin ein zwei­dimen­sionales Elektronengas ausbildete. Das zwei­dimen­sionale Elektronengas wurde schließlich selbst zum Magneten, da es bei Anlegen eines externen Magnetfelds spin­pola­risiert wird.

Um nicht nur die magnetische, sondern auch eine optische Kontrolle des Materials möglichst effizient zu gestalten, musste das Team die Wechsel­wirkung von Licht mit MoSe₂ so manipu­lieren, dass alles auftref­fende Licht im Material gefangen wird. MoSe₂ absorbiert Licht zwar bereits sehr effizient, aber eben noch nicht vollständig. Ermöglicht wurde diese Eigenschaft durch Einbetten des Materials zwischen zwei Spiegeln mit einem genau kontrol­lier­baren Abstand von weniger als einem Millionstel Meter. Mit diesem Trick konnte das Regime der starken Kopplung zwischen Licht und Material erreicht werden.

Beleuchtet man das System nun mit einem Laser, wird jedes Photon des Laserlichts eingefangen, indem pro Photon ein Elektron in einen Zustand höherer Energie gebracht wird. Diesen mittels Licht erzeugten Zustand nennt man Exziton. Das Exziton greift sich nun ein Elektron aus dem zwei­dimen­sionalen Elektrongas und bildet ein neues Teilchen, ein Trion, das in Wechsel­wirkung mit dem Elektrongas-Magneten tritt. Dieses Trion ist über seinen Spin auch magnetisch: Der Spin kann parallel oder antiparallel zur Magneti­sierung des zwei­dimen­sionalen Elektronengases sein.

Dementsprechend unterschiedlich sind die Konsequenzen aufgrund dieser Wechsel­wirkung. Die Oszillator­stärke des Trions, also seine Licht-Materie-Kopplung, hängt von der Spin­polari­sierung des Elektrongases ab. Ist das Elektronengas vollständig polarisiert mit Spin parallel zum Magnetfeld, kann sich kein Trion mehr bilden, da es dafür ein Elektron mit Spin antiparallel zum Magnetfeld bräuchte. Die Oszillator­stärke, also seine Kopplungs­stärke an Licht, ist für ein solches Trion durch die Spin­polari­sierung auf null gesunken.

Die Schlüsse, die das Team daraus zieht, lauten: Das Trion zeigt starke Licht-Materie-Wechsel­wirkung für parallele Orientierung, im anti­parallelen Fall ist sie durch­brochen. In der Konsequenz fällt die Reaktion auf ein externes Magnetfeld fünfmal stärker aus als für ein Trion in einer einfachen MoSe₂–Schicht. Damit konnten die Forscher zeigen, dass die optischen Eigen­schaften der MoSe₂–Schicht durch das externe Magnetfeld präzise gesteuert werden können. Umgekehrt bestimmt die optische Anregung die magnetische Antwort: Je mehr Trionen durch den Laser erzeugt werden, desto mehr wird die Stärke der Licht-Materie-Wechsel­wirkung reduziert.

TU Dortmund / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. P. Lyons et al.: Giant effective Zeeman splitting in a monolayer semiconductor realized by spin-selective strong light–matter coupling, Nat. Photonics, online 7. Juli 2022; DOI: 10.1038/s41566-022-01025-8
• Forschungsschwerpunkt Kondensierte Materie, Fklt. Physik, Technische Universität Dortmund