一篇新综述重点介绍了原子级薄量子材料领域令人振奋的进展，在这些材料中，光与磁性以前所未有的方式协同作用。在这些材料中，光生激子能够与磁学特性直接相互作用，从而创造出仅利用光即可调控磁态的机会。科学家认为，这有望为先进的光存储、量子器件及超高效光子技术铺平道路。
这项工作来自物理学家Vinod M. Menon的纳米与微光子学实验室。研究人员认为，这些不寻常的相互作用最终有望支持能够同时操控光、电荷和电子自旋的先进光电器件和量子技术。
当光与磁性相互作用
在发表于《自然-材料》的一篇题为“范德华磁性材料中的激子”的综述中，研究人员探讨了涉及层状磁性半导体的最新进展。这些材料允许被称为激子的光生激发与磁序以及被称为磁振子的磁波发生相互作用。
当入射光激发电子并使其移动，从而留下一个带正电的“空穴”时，激子便形成了。电子和空穴保持关联，形成一个电中性粒子，但仍能与光发生强烈的相互作用。磁振子则不同。它们是在材料有序磁结构中传播的集体波。
科学家们花费数年时间，试图将富含激子的半导体的光学特性与磁性结合起来。早期的策略包括向半导体中添加磁性原子，或将原子级薄的半导体堆叠在磁性材料之上。
范德华磁性半导体提供了一种更直接的途径。在这些晶体中，激子和磁矩可以源于相同的电子轨道。这种共同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，光和磁性不再作为分离的通道运作，”Menon小组的博士后研究员、该综述的主要作者Pratap Chandra Adak说道，“激子不仅仅是位于磁性之上的被动光驱动激发。它能够感知自旋序和磁振子，并且在合适的条件下，甚至有助于控制磁态本身。”
利用光读取磁态
该综述考察了几个重要的材料平台，包括三碘化铬、三硫化磷镍和硫溴化铬。针对这些二维磁体的研究揭示了激子与磁行为相互影响的多种方式。
激子可以显著增强磁光效应，使科学家能够通过观察光偏振的变化来识别磁态。磁序也可以改变激子的能量，并影响它们在材料内部的局限位置。
激子与磁振子之间的相互作用可以将光信号与发生在吉赫兹频率的磁活动联系起来。研究人员还探讨了激子极化激元，这是一种结合了光与物质特性的混合粒子，能够在材料中传输光学信息。
“在过去几年里，该领域已从检测原子级薄晶体中的磁性，转变为积极探索磁序如何控制光与物质的相互作用，”物理学教授、该综述的资深作者Menon说道，“本文的目标是将这些进展纳入一个连贯的框架，并明确该领域的未来发展方向。”
量子技术的新可能
研究人员确定了几种潜在应用，这些应用依赖于在极小尺度上对光和磁性的精确控制。其中包括磁光子存储与数据读取、全光逻辑、可调谐发光器件、磁光激光器以及极化激元技术。
另一个充满前景的应用涉及量子转换器。这类器件能够在微波频率与光频率之间转换信号，这种能力对于连接未来量子网络中的组件可能至关重要。
仍存重大科学挑战
尽管进展迅速，该领域仍有很大一部分未被探索。许多潜在材料尚未得到详细研究，科学家们仍需要更完善的理论模型，来预测激子、电子自旋、晶格振动和光子在同时相互作用时的行为。
未来的研究可以探索莫尔磁激子、自旋织构的光学控制、磁光子器件、磁性激子极化激元凝聚，以及用于量子通信的微波信号至光信号转换。
其他共同作者包括慕尼黑工业大学的Florian Dirnberger；落基山国家实验室的Swagata Acharya；莱茵兰-普法尔茨工业大学凯泽斯劳滕-兰道分校的Akashdeep Kamra；以及华盛顿大学的Xiaodong Xu。
纽约市立学院（CCNY）的这项工作得到了美国国防部高级研究计划局（DARPA）和戈登与贝蒂·摩尔基金会的支持。