當前播報:科學家在二維磁體中“看到”旋轉的準粒子

(資料圖)

盡管磁子具有巨大的潛力，但如果沒有龐大的實驗室設備，它們往往很難被檢測到。根據哥倫比亞大學研究員朱曉陽的說法，這樣的設置對于進行實驗是沒有問題的，但對于開發設備，如磁子設備和所謂的自旋電子學，則不適用。然而，有了合適的材料，看到磁子可以變得簡單得多：一種叫做溴化鉻的磁性半導體，可以被剝離成原子般薄的二維層，由化學系教授Xavier Roy的實驗室合成。

在9月7日發表在《自然》雜志上的一篇新文章中，朱曉陽和哥倫比亞大學、華盛頓大學、紐約大學和橡樹嶺國家實驗室的合作者表明，溴化鉻中的磁子可以與另一種叫做激子的準粒子配對，后者會發光，為研究人員提供了一種“看到”旋轉的準粒子的機制。

當他們用光擾動磁子時，他們觀察到激子在近紅外范圍內的振蕩，這幾乎是肉眼可見的。朱曉陽說：“我們第一次可以用一個簡單的光學效應看到磁子。”

朱曉陽實驗室的博士后、研究第一作者Youn Jun (Eunice) Bae說，這些結果可以被看作是量子轉換，或者是一個 “量子”能量向另一個能量的轉換。Bae解釋說，激子的能量比磁子的能量大四個數量級；現在，由于它們配對得如此強烈，我們可以輕易地觀察到磁子的微小變化。這種傳導有朝一日可能使研究人員能夠建立量子信息網絡，從基于自旋的量子比特--它們通常需要位于彼此的幾毫米范圍內--獲取信息，并將其轉換為光，一種能夠通過光纖將信息傳輸到數百英里以外的能量形式。

朱曉陽說，相干時間--即振蕩可以持續的時間--也很了不起，比實驗中的5納秒極限持續得更久。這種現象可以超過7微米，甚至在溴化鉻器件僅由兩個原子薄層制成時也能持續存在，這提高了建造納米級自旋電子器件的可能性。這些設備有朝一日可能成為當今電子產品的更有效替代品。與電流中的電子在行進中遇到阻力不同，自旋波中實際上沒有粒子在運動。

從這里開始，科學家們計劃探索溴化鉻的量子信息潛力，以及其他候選材料。朱曉陽說：“在MRSEC和EFRC，我們正在探索幾種二維材料的量子特性，你可以像紙一樣堆疊起來，創造各種新的物理現象。”

例如，如果能在其他種類的磁性半導體中找到磁子-激子耦合，并具有與溴化鉻稍有不同的性質，它們可能會以更廣泛的顏色發射出光。朱曉陽說：“我們正在組裝工具箱，以構建具有可定制特性的新設備。”