激光器在原子薄的量子材料中触发磁性

一幅漫画描绘了研究人员在超薄的二硒化钨和二硫化钨片中观察到的光致铁磁性。以黄色显示的激光激发激子 - 电子（蓝色）及其相关正电荷的结合对，也称为空穴（红色）。这种活动在被困在摩尔纹超晶格内的其他孔之间诱导长距离交换相互作用，使它们的自旋朝向同一方向。图片来源：王曦/华盛顿大学

研究人员发现，激光形式的光可以触发通常非磁性材料中的一种磁性形式。这种磁性以电子的行为为中心。这些亚原子粒子具有称为“自旋”的电子特性，在量子计算中具有潜在的应用。研究人员发现，当被激光的光子照亮时，材料内的电子朝向相同的方向。

这项实验由华盛顿大学和香港大学的科学家领导，于4月20日发表在《自然》杂志上。

通过在这种细节和精度水平上控制和对齐电子自旋，该平台可以在量子模拟领域得到应用，共同资深作者，华盛顿大学物理系和材料科学与工程系波音杰出教授Xiaodong Xu说。

“在这个系统中，我们基本上可以使用光子来控制半导体材料中电荷的'基态'特性（例如磁性），”Xu说，他也是UW清洁能源研究所和分子工程与科学研究所的研究员。“这是为量子计算和其他应用开发某些类型的量子比特或'量子比特'的必要控制水平。

Xu的研究团队带头进行了实验，他与共同资深作者，香港大学物理学教授王瑶领导了这项研究，他的团队致力于支持结果的理论。参与这项研究的其他威斯康星大学教职员工是合著者Di Xiao，他是威斯康星大学物理学和材料科学与工程教授，也是太平洋西北国家实验室的联合任命，以及威斯康星大学化学教授兼分子工程材料中心主任Daniel Gamelin。

该团队使用超薄片材 - 每个只有三层原子厚 - 二硒化钨和二硫化钨。两者都是半导体材料，之所以如此命名，是因为电子以完全导电金属和绝缘体之间的速率穿过它们，在光子学和太阳能电池中具有潜在的用途。研究人员将两张纸堆叠在一起，形成一个“摩尔纹超晶格”，这是一个由重复单元组成的堆叠结构。

通过压电响应力显微镜拍摄的俯视图图像，堆叠的二硒化钨和二硫化钨层，形成所谓的异质结构。三角形表示摩尔纹超晶格的重复“单位”。图片来源：王曦/华盛顿大学

像这样的堆叠片是量子物理学和材料研究的强大平台，因为超晶格结构可以将激子固定到位。激子是“激发”电子及其相关正电荷的结合对，科学家可以测量它们在不同超晶格构型中的性质和行为如何变化。

研究人员正在研究材料中的激子特性，当时他们做出了令人惊讶的发现，即光触发了通常非磁性材料中的关键磁性。激光在激光束路径内“激发”激子提供的光子，这些激子在其他电子之间诱导了一种长程相关性，它们的自旋都朝向同一方向。

“就好像超晶格内的激子已经开始与空间上分离的电子'对话'，”徐说。“然后，通过激子，电子建立了交换相互作用，形成了所谓的'有序状态'，具有对齐的自旋。

研究人员在超晶格内目睹的自旋排列是铁磁性的特征，铁磁性是铁等材料固有的磁性形式。二硒化钨和二硫化钨中通常不存在。Xu说，摩尔纹超晶格内的每个重复单元基本上都像一个量子点一样“捕获”电子自旋。可以相互“交谈”的被捕获电子自旋，就像这些可以一样，已被建议作为一种量子比特的基础，量子比特是量子计算机的基本单位，可以利用量子力学的独特性质进行计算。

在11月25日发表在《科学》杂志上的另一篇论文中，徐和他的合作者在摩尔纹超晶格中发现了由超薄三碘化铬片形成的新磁性。与二硒化钨和二硫化钨不同，三碘化铬具有固有的磁性，即使是单个原子片。堆叠的三碘化铬层形成了交替的磁畴：一个是铁磁性的 - 自旋都朝同一方向排列 - 另一个是“反铁磁性”，其中自旋指向超晶格相邻层之间的相反方向，并且基本上“相互抵消”，根据徐说。这一发现还阐明了材料结构与其磁性之间的关系，这可能会推动计算、数据存储和其他领域的未来发展。

“它向你展示了可能隐藏在由2D量子材料形成的摩尔纹超晶格中的磁性'惊喜'，”徐说。“除非你看，否则你永远无法确定你会找到什么。

《自然》杂志论文的第一作者是西王，他是威斯康星大学物理和化学博士后研究员。其他合著者是香港大学的肖成新;UW物理博士生Heonjoon Park和Jiayi Zhu;Chong Wang，UW材料科学与工程研究员;Takashi Taniguchi和Kenji Watanabe在日本国立材料科学研究所;和闫家强在橡树岭国家实验室。