Их главный инструмент — сверхбыстрая микроскопия, которая позволяет разглядеть то, что не видно глазу: квазичастицы, рождающиеся при взаимодействии света с веществом.

Недавно они обнаружили нечто неожиданное.

Результаты опубликованы в издании Nature Materials.

Обычно экситоны — связанные пары электрона и дырки — живут внутри полупроводников.

Но в хромсульфиде брома (CrSBr), магнитном полупроводнике, они вдруг проявились на самой поверхности.

Это как найти отпечатки пальцев там, где их в принципе не должно быть.

В лаборатории мы увидели не только глубинные экситоны, но и те, что светятся прямо на поверхности, — рассказывает Черников, работающий в Дрездене в рамках кластера ct.qmat. — Они отражают и испускают свет чуть иначе, чем «внутренние», поэтому мы их и засекли.

Идея искать поверхностные экситоны родилась в разговорах с коллегами из Регенсбурга. Эксперименты параллельно шли в Дрездене и Нью-Йорке — на разных установках, с разными образцами. Результаты совпали.

Такая воспроизводимость — большая редкость, — отмечает Черников.

Как это работает

• Свет попадает на полупроводник, выбивает электрон, оставляя дырку.
• Электрон и дырка связываются, образуя экситон — временную частицу, переносящую энергию.
• Когда экситон распадается, материал светится.

Флориан Дирнбергер, бывший участник проекта, а теперь руководитель группы в Мюнхене, поясняет:

Экситоны известны давно, но только последние четыре года мы начали использовать их в магнитных кристаллах. Они не просто хранят энергию — через свет можно передавать информацию.

Исследование — плод collaboration ученых из США, Германии, Великобритании и других стран. Они совместили синтез материалов, сверхчувствительную спектроскопию и теорию многих тел. Результат — новый взгляд на магнитные полупроводники и шаг к технологиям, где свет и магнетизм работают в тандеме.

Польза исследования

Для науки:

• Расширяет понимание экситонов — теперь мы знаем, что они могут существовать на поверхности магнитных материалов, а не только внутри.
• Дает инструмент для изучения связи между светом и магнетизмом, что критично для квантовых вычислений.

Для технологий:

• Оптоэлектроника — экситоны могут стать основой для сверхбыстрой передачи данных.
• Энергетика — более эффективные солнечные элементы за счет контроля за светопоглощением.

Однако пока исследование проводилось при сверхнизких температурах, близких к абсолютному нулю. Для практического применения нужно, чтобы эффект работал хотя бы при комнатной температуре.

Ранее ученые предложили метод визуализации экситонной миграции.