纽约市立大学的研究人员正在探索一个快速发展的量子科学领域，重点是仅有几个原子厚的材料。在这些系统中，光、电荷和磁性紧密相连，而不是独立行为。该研究来自物理学家维诺德·M·梅农（Vinod M. Menon）的纳米和微光子学实验室（LaNMP）。研究人员相信，这些不寻常的相互作用最终可能支持先进的光电设备和量子技术，能够同时控制光、电荷和电子自旋。 在《自然材料》上发表的一篇评论中，标题为“范德瓦尔斯磁性材料中的激子”，研究人员检查了涉及分层磁性半导体的最新进展。这些材料允许光生成的激发（称为激子）与磁序和称为磁振子的磁波相互作用。当入射光使电子被激励并导致其移动时，形成一个激子，留下一个带正电的“空穴”。该电子和空穴保持关联，形成一个仍可与光强烈相互作用的电中性粒子。磁振子则不同。它们是穿过材料有序磁性结构的集体波动。科学家们花费多年时间试图将激子的光学特性与磁性结合在一起。早期的策略包括向半导体中添加磁性原子或将原子薄的半导体堆叠在磁性材料之上。范德瓦尔斯磁性半导体提供了一种更直接的方法。在这些晶体中，激子和磁矩可以从相同的电子轨道中产生。这种共享的起源使得光和磁性能够在材料内部相互影响。 “在这些材料中，光和磁性不再作为独立通道运作，”梅农组的博士后研究员普拉特普·陈德拉·阿达克（Pratap Chandra Adak）说，评论的主要作者。“激子不仅仅是坐在磁性之上的被动光驱动激发。它可以感知自旋序和磁振子，并在适当条件下，甚至能帮助控制磁态本身。” 通过光读取磁态 该评论研究了几种重要的材料平台，包括三碘化铬、磷化镍硫化物和硫化铬溴化物。这些二维磁体的研究揭示了激子和磁性行为如何相互影响的几种方式。激子可以显著增强磁光效应，使科学家能够通过观察光的极化变化来识别磁态。磁序还可以改变激子的能量，并影响它们在材料中的禁闭位置。激子与磁振子之间的相互作用可以将光学信号与以千兆赫兹频率发生的磁活动连接起来。研究人员还讨论了激子极化子，这种混合粒子结合了光和物质的特性，能够通过材料传输光学信息。“在过去几年里，该领域已从探测原子薄晶体中的磁性转向积极探索磁序如何控制光-物质相互作用，”梅农教授（Review的主要作者）说。“这篇文章的目的是将这些发展纳入一个连贯的框架，并确定该领域下一步的发展方向。” 量子技术的新可能性 研究人员指出，若要实现对极小尺度光和磁性的精确控制，还存在多个潜在应用。这些应用包括磁光存储和数据读出、全光逻辑、可调光发射设备、磁光激光器和极化子技术。另一个有希望的应用涉及量子换能器。这些设备在微波和光学频率之间转换信号，这一能力在未来的量子网络中可能变得重要。 重大的科学挑战仍然存在 尽管进展迅速，但该领域仍有许多未被探索的部分。许多可能的材料尚未详细研究，科学家们仍需要更好的理论模型，以预测当激子、电子自旋、晶格振动和光子同时相互作用时的行为。未来的研究可以调查莫尔磁激子、旋转纹理的光学控制、磁光设备、磁激子极化子凝聚以及微波信号转化为光信号以进行量子通信。其他共同作者包括来自慕尼黑工业大学的弗洛里安·迪尔恩贝格（Florian Dirnberger）；来自落基山国家实验室的斯瓦戈塔·阿恰里亚（Swagata Acharya）；来自莱茵-普法尔茨技术大学凯泽斯劳滕-兰道的阿卡什·卡姆拉（Akashdeep Kamra）；以及来自华盛顿大学的谢东（Xiaodong Xu）。纽约市立大学的这项工作得到了DARPA和戈登·和·贝蒂·摩尔基金会的支持。