紐約城市大學的研究人員正在開創一個快速發展的量子科學領域，該領域專注於僅有幾個原子厚度的材料。在這些系統中，光、電荷和磁性緊密相連，而不是獨立運作。
這項工作來自物理學家 Vinod M. Menon 的奈米與微光子學實驗室 (LaNMP)。研究人員認為，這些不尋常的交互作用最終可能支持先進的光電裝置和量子技術，這些技術能夠同時操控光、電荷和電子自旋。
在一篇發表於《Nature Materials》的評論文章「范德瓦爾斯磁性材料中的激子」中，研究人員檢視了涉及層狀磁性半導體的最新進展。這些材料允許光激發產生的激子與磁序以及稱為磁聲子的磁波相互作用。
當入射光能激發電子使其移動，留下帶正電的「電洞」時，就會形成一個激子。電子和電洞保持連結，形成一個電中性的粒子，但仍能與光強烈互動。磁聲子則不同，它們是穿過材料有序磁結構的集體波。
科學家們多年來一直試圖將富含激子的半導體的獨特光學性質與磁性結合起來。早期的策略包括將磁性原子添加到半導體中，或將原子級薄的半導體堆疊在磁性材料之上。
范德瓦爾斯磁性半導體提供了一種更直接的方法。在這些晶體中，激子和磁矩可以從相同的電子軌域中產生。這種共同的起源使得光和磁性能夠在材料內部相互影響。
Menon 小組的博士後研究員、該評論文章的首席作者 Pratap Chandra Adak 表示：「在這些材料中，光和磁性不再作為獨立的通道運作。激子不僅僅是被動的光驅動激發，疊加在磁性之上。它可以感知自旋序和磁聲子，並在適當的條件下，甚至有助於控制磁狀態本身。」
該評論文章檢視了幾種重要的材料平台，包括三碘化鉻、磷化鎳和溴化鉻。對這些二維磁體的が研究揭示了激子和磁行為可以相互影響的幾種方式。
激子可以顯著增強磁光效應，使科學家能夠通過觀察光的偏振變化來識別磁狀態。磁序也可以改變激子的能量，並影響它們在材料中的侷限位置。
激子和磁聲子之間的交互作用可以將光學信號與以吉赫茲頻率發生的磁活動聯繫起來。研究人員還討論了激子極化激子，這是一種結合了光和物質特性的混合粒子，能夠將光學信息傳輸到材料中。
Menon 教授、該評論文章的資深作者表示：「在過去幾年中，這個領域已經從檢測原子級薄晶體中的磁性，發展到積極探索磁序如何控制光物質相互作用。本文的目標是將這些發展納入一個連貫的框架，並確定該領域未來的發展方向。」
量子技術的新可能性
研究人員確定了幾種潛在的應用，這些應用將依賴於在極小尺度上精確控制光和磁性。這些應用包括磁光記憶體和數據讀取、全光邏輯、可調式發光器件、磁光雷射和極化激子技術。
另一項有前景的應用涉及量子轉換器。這些裝置可以在微波和光學頻率之間轉換信號，這項能力對於連接未來量子網絡中的組件可能變得非常重要。
儘管進展迅速，但該領域的許多方面仍有待探索。許多可能的材料尚未得到詳細研究，科學家們仍然需要更好的理論模型來預測激子、電子自旋、晶格振動和光子在同時相互作用時的行為。
未來的研究可以探索莫爾磁激子、自旋紋理的光學控制、磁光器件、磁激子極化激子凝聚，以及將微波信號轉換為光信號用於量子通訊。
其他合著者包括來自慕尼黑工業大學的 Florian Dirnberger；洛磯山國家實驗室的 Swagata Acharya；凱撒勞頓蘭道技術大學的 Akashdeep Kamra；以及華盛頓大學的 Xiaodong Xu。
CCNY 的工作得到了 DARPA 和 Gordon and Betty Moore 基金會的支持。
Materials provided by City College of New York. Note: Content may be edited for style and length.
