科学家在2D磁铁中看到自旋

磁振子和激子之间的配对将使研究人员能够看到自旋方向，这是几个量子应用的一个重要考虑因素。图片来源：于忠瑞

所有的磁铁——从挂在冰箱上的简单纪念品到为计算机提供内存的磁盘，再到研究实验室中使用的强大版本——都包含称为磁砂的旋转准粒子。一个磁振子旋转的方向可以影响其邻居的方向，从而影响其邻居的自旋，依此类推，产生所谓的自旋波。信息可以通过自旋波比电更有效地传输，磁振子可以作为“量子互连”，将量子比特“粘合”在一起，形成强大的计算机。

Magnons具有巨大的潜力，但是如果没有笨重的实验室设备，它们通常很难被检测到。哥伦比亚大学研究员朱晓阳说，这样的设置对于进行实验很好，但不适合开发设备，例如磁控设备和所谓的自旋电子学。然而，使用合适的材料可以使看到磁振子变得简单得多：一种称为硫化铬溴化物（CrSBr）的磁性半导体，可以剥离成原子薄的2D层，在化学系教授Xavier Roy的实验室中合成。

在《自然》杂志上的一篇新文章中，朱和哥伦比亚大学、华盛顿大学、纽约大学和橡树岭国家实验室的合作者表明，CrSBr中的磁炮可以与另一种称为激子的准粒子配对，激子会发光，为研究人员提供了一种“看到”旋转准粒子的方法。

当他们用光扰动磁炮时，他们观察到近红外范围内激子的振荡，肉眼几乎可见。“我们第一次可以看到具有简单光学效果的磁炮，”朱说。

这些结果可以看作是量子转导，或者将一个能量的“量子”转换为另一个“量子”，第一作者Yun Jun（Eunice）Bae说，他是朱氏实验室的博士后。激子的能量比磁炮的能量大四个数量级;现在，由于它们如此紧密地配对在一起，我们可以很容易地观察到磁砂的微小变化，Bae解释说。这种转导有朝一日可能会使研究人员能够建立量子信息网络，该网络可以从基于自旋的量子比特中获取信息-通常需要彼此相距不到几毫米-并将其转换为光，这是一种可以通过光纤将信息传输到数百英里的能量形式。

朱说，相干时间——振荡可以持续多长时间——也是非常了不起的，持续时间远远超过实验的五纳秒极限。这种现象可以传播超过七微米，并且即使CrSBr器件仅由两个原子薄层组成，也仍然存在，这增加了构建纳米级自旋电子器件的可能性。这些设备有朝一日可能会成为当今电子产品的更有效替代品。与电流中的电子在行进时遇到阻力不同，实际上没有粒子在自旋波中移动。

从这里开始，研究人员计划探索CrSBr的量子信息潜力，以及其他材料候选者。“在MRSEC和EFRC中，我们正在探索几种2D材料的量子特性，你可以像纸一样堆叠起来，创造各种新的物理现象，”朱说。

例如，如果在与CrSBr性质略有不同的其他类型的磁性半导体中可以找到磁子 - 激子耦合，则它们可能会发出更宽范围的颜色的光。

“我们正在组装工具箱，以构建具有可自定义属性的新设备，”朱补充道。

更多信息：Youn Jue Bae等，2D半导体中的激子偶联相干磁振子，自然（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-05024-1

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