激光在二维半导体中触发磁性

科学家们利用光子来控制二维半导体中电荷的“基态”特性

研究人员发现，激光可以在通常的非磁性材料中引发某种形式的磁性。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。

据共同第一作者、华盛顿大学物理系和材料科学与工程系的波音特聘教授Xiaodong Xu说，通过在这样的细节和精度水平上控制和校准电子自旋状态，这个平台可以应用在量子模拟领域。

“在这个系统中，我们可以使用光子来控制半导体材料中电荷的'基态'特性--比如磁性，” Xu说，他也是华盛顿大学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量子位或‘量子比特’所必需的。”

Xu的研究团队带头进行了这些实验，他与共同第一作者、香港大学物理学教授Wang Yao一起领导了这项研究，Wang Yao的团队负责研究支撑这些结果的理论。参与了这项研究的其他华盛顿大学研究者包括共同作者Di Xiao，他是华盛顿大学物理学和材料科学与工程教授，同时也在西北太平洋国家实验室担任联合职务，以及华盛顿大学化学教授和分子工程材料中心主任Daniel Gamelin。

该团队利用二维 WSe₂和WS₂的超薄薄膜进行了研究。研究人员将这两片薄膜堆叠起来，形成 “摩尔超晶格”，这是一种由重复单元组成的堆叠结构。

像这样的堆叠薄膜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钉扎激子。激子是由 “受激”电子及其相关的正电荷组成的束缚对，科学家们可以测量它们在不同的超晶格结构中的属性和行为如何变化。

研究人员在研究材料中的激子特性时，意外地发现光在这种通常非磁性的材料中触发了一种重要的磁性特征。激光提供的光子 “激发”了激光束路径内的激子，而这些激子在其他电子之间引发了一种长程关联，它们的自旋都朝向同一方向。

Xu说：“这就好像超晶格中的激子开始与空间上分离的电子'交谈'，然后通过激子，电子建立了交换相互作用，形成了一种具有定向自旋的'有序状态'。”

研究人员在超晶格内看到的自旋排列是铁磁性的一个特征，铁磁性是铁等材料固有的磁性形式。它通常不存在于WSe₂和WS₂中。Xu说，摩尔超晶格中的每个重复单元本质上就像一个量子点，可以 “捕获“电子自旋。可以相互“交谈”的被捕获的电子自旋，被认为是一种量子位的基础，量子位是量子计算机的基本单元，可以利用量子力学的独特特性进行计算。

2021年11月25日发表在《科学》上的另一篇论文中，Xu和他的合作者发现了由CrI₃超薄薄膜形成的摩尔超晶格中的新磁性不同于与WSe₂ 和WS₂，即使是作为单个原子薄膜，CrI₃也具有固有的磁性。Xu说，堆叠的CrI₃层形成了交替的磁域：一个是铁磁性的，自旋全部排列在同一方向；另一个是 “反铁磁性的”，自旋指向超晶格的相邻层之间相反的方向，基本上“相互抵消”。这一发现也阐明了一种材料的结构和它的磁性之间的关系，这可能会推动计算、数据存储和其他领域的未来发展。

Xu说：“它向你展示了隐藏在二维量子材料形成的摩尔超晶格中的磁性'惊喜'。除非你仔细观察，否则你永远无法确定你会发现什么。”

上面的图片显示了光引发的铁磁性。黄色显示的激光激发了一个激子--一个电子（蓝色）和其相关的正电荷的束缚对，也被称为空穴（红色）。这种活动在摩尔超晶格内的其他空穴之间引起长程交换作用，使它们的自旋朝向相同方向。

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