世界观速讯丨科学家在二维磁体中“看到”旋转的准粒子

(资料图)

尽管磁子具有巨大的潜力，但如果没有庞大的实验室设备，它们往往很难被检测到。根据哥伦比亚大学研究员朱晓阳的说法，这样的设置对于进行实验是没有问题的，但对于开发设备，如磁子设备和所谓的自旋电子学，则不适用。然而，有了合适的材料，看到磁子可以变得简单得多：一种叫做溴化铬的磁性半导体，可以被剥离成原子般薄的二维层，由化学系教授Xavier Roy的实验室合成。

在9月7日发表在《自然》杂志上的一篇新文章中，朱晓阳和哥伦比亚大学、华盛顿大学、纽约大学和橡树岭国家实验室的合作者表明，溴化铬中的磁子可以与另一种叫做激子的准粒子配对，后者会发光，为研究人员提供了一种“看到”旋转的准粒子的机制。

当他们用光扰动磁子时，他们观察到激子在近红外范围内的振荡，这几乎是肉眼可见的。朱晓阳说：“我们第一次可以用一个简单的光学效应看到磁子。”

朱晓阳实验室的博士后、研究第一作者Youn Jun (Eunice) Bae说，这些结果可以被看作是量子转换，或者是一个 “量子”能量向另一个能量的转换。Bae解释说，激子的能量比磁子的能量大四个数量级；现在，由于它们配对得如此强烈，我们可以轻易地观察到磁子的微小变化。这种传导有朝一日可能使研究人员能够建立量子信息网络，从基于自旋的量子比特--它们通常需要位于彼此的几毫米范围内--获取信息，并将其转换为光，一种能够通过光纤将信息传输到数百英里以外的能量形式。

朱晓阳说，相干时间--即振荡可以持续的时间--也很了不起，比实验中的5纳秒极限持续得更久。这种现象可以超过7微米，甚至在溴化铬器件仅由两个原子薄层制成时也能持续存在，这提高了建造纳米级自旋电子器件的可能性。这些设备有朝一日可能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中遇到阻力不同，自旋波中实际上没有粒子在运动。

从这里开始，科学家们计划探索溴化铬的量子信息潜力，以及其他候选材料。朱晓阳说：“在MRSEC和EFRC，我们正在探索几种二维材料的量子特性，你可以像纸一样堆叠起来，创造各种新的物理现象。”

例如，如果能在其他种类的磁性半导体中找到磁子-激子耦合，并具有与溴化铬稍有不同的性质，它们可能会以更广泛的颜色发射出光。朱晓阳说：“我们正在组装工具箱，以构建具有可定制特性的新设备。”

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