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XavierRoy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YunJun（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：YounJueBae等，2D半导体中的激子偶联相干磁振子，自然（2022）。DOI：10。1038s41586022050241
　　期刊信息：自然