量子突破將原子薄材料中的光和磁連結起來

這項工作來自物理學家 Vinod M. Menon 的奈米和微光子學 (LaNMP) 實驗室。研究人員認為，這些不尋常的相互作用可以支持先進的光電設備和量子技術，共同操縱光、電荷和電子自旋。

當光和磁相互作用時

在發表於的評論中 自然材料研究人員以「范德華磁性材料中的激子」為題，研究了層狀磁性半導體的最新進展。這些材料允許光產生的激發與稱為磁振子的磁序和磁波相互作用。

當入射光激發電子並使其移動時，就會產生激子，留下帶正電的「電洞」。電子和電洞保持結合，形成可以與光強烈相互作用的電中性粒子。磁農則不同。它們是穿過材料有組織的磁性結構的集體波。

多年來，科學家一直試圖將富激子半導體的光學特性與磁性結合。早期的策略包括在半導體中添加磁性原子或在磁性材料頂部堆疊原子薄的半導體。

范德華磁性半導體提供了一種更直接的方法。在這些晶體內，激子和磁矩可以從相同的電子軌道產生。由於這種共同的起源，光和磁在材料內相互作用。

「在這些材料中，光和磁並不充當單獨的通道，」梅農小組的博士後研究員、該評論的主要作者普拉塔普·錢德拉·阿達 (Pratap Chandra Ada) 說。 「激子不僅僅是位於磁性之上的被動光驅動激發。它可以感知自旋順序和磁振子，並且在適當的條件下，可以幫助控制磁性狀態本身。”

用光讀取磁態

這篇綜述檢視了幾種重要的平台材料，包括三碘化鉻、三硫化鎳磷和溴化硫鉻。對這些二維磁體的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，使科學家能夠透過觀察光偏振的變化來識別磁態。磁序還可以改變激子的能量並影響它們在材料內的位置。

激子和磁振子之間的相互作用可以將光訊號與千兆赫頻率下發生的磁活動聯繫起來。研究人員還討論了激子極化激元，這是一種結合了光和物質特性並透過材料攜帶光學訊息的混合粒子。

「近年來，這個領域已經從觀察原子薄晶體中的磁性轉向積極探索磁序如何控制光與物質的相互作用，」物理學教授兼該評論的主要作者梅農說。 “本文的目的是將這些進展納入一個連貫的框架，並確定該領域的發展方向。”

量子科技的新機遇

研究人員確定了基於在非常小尺度上精確控制光和磁性的幾種潛在應用。其中包括磁光子記憶體和資料讀出、全光邏輯、可調諧發光裝置、磁光雷射和極化子技術。

另一個有前景的應用涉及量子感測器。這些設備在微波和光頻率之間轉換訊號，這種能力對於連接未來量子網路中的組件可能非常重要。

重大科學挑戰依然存在

儘管進展迅速，但該領域的大部分內容仍未被探索。許多可能的材料尚未詳細研究，科學家仍需要更好的理論模型來預測激子、電子自旋、晶格振動和光子如何同時相互作用。

未來的研究可能會研究磁莫爾激子、自旋組織的光學控制、磁光子裝置、磁激子的極化子凝聚以及用於量子通訊的微波訊號到光訊號的轉換。

其他作者包括慕尼黑工業大學的 Florian Dirnberger；落基山脈國家實驗室的斯瓦加塔·阿查里亞 (Swagata Acharya)；凱澤斯勞滕-蘭道萊茵蘭-普法爾茨技術大學的 Akashdeep Kamra；和華盛頓大學的Xiaodong Xu。

CCNY 的工作得到了 DARPA 以及戈登和貝蒂摩爾基金會的支持。