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我国科学家在磁性半导体自旋光子学研究取得进展
2026年02月15日 09:56:10
来源：化工仪器网 点击量：5617
这一突破性进展不仅展示了磁性半导体在光与磁调控中的独特能力，也为未来低能耗、可调控的量子信息器件开辟了全新可能。
近日，中国科学院半导体研究所基于二维磁性半导体材料CrSBr构建了一维超表面，成功实现了磁振子与光子的高效耦合界面。这一突破性进展不仅展示了磁性半导体在光与磁调控中的独特能力，也为未来低能耗、可调控的量子信息器件开辟了全新可能。
自旋是电子的一种内禀性质，类似于微小磁针，具有方向性。在磁性材料中，大量电子的自旋排列可以形成有序的磁结构。当这些自旋集体发生周期性扰动时，就会产生一种称为“磁振子”的准粒子，它可被视为自旋波的量子单元，能够传递磁信息而不伴随电荷流动，因而在信息传输中能耗极低。
研究团队选择的材料CrSBr是一种层状的范德华磁性半导体，其独特的二维结构允许在原子级厚度下仍保持稳定的磁性。通过将其制备成一维超表面——一种具有周期性亚波长结构的人工材料，研究人员成功在连续能谱中构造出了特殊的状态，即“连续域内的束缚态”。该态与材料中的激子(由光激发产生的电子‑空穴对)发生强相互作用，形成了兼具光与磁特性的新型量子态——激子极化激元。
尤为引人注目的是，这种激子极化激元的能量和发光特性可以通过外部磁场进行灵活调控。这意味着人们能够利用磁场“指挥”该体系的发光行为，实现光与磁的双重操控，为磁光耦合器件的设计提供了高度可控的物理平台。
这项成果具有多方面的科学价值与应用潜力。在基础研究层面，它首次在二维磁性半导体超表面中实现了磁振子‑激子‑光子的三重强耦合，为探索光与自旋相互作用提供了崭新的实验体系。在技术应用层面，这种磁场可调的激子极化激元为开发新型磁光调制器、低功耗自旋电子学器件以及集成化光子芯片带来了希望。未来，这类界面有望应用于量子信息处理，成为连接光子量子比特与自旋量子比特的桥梁，助力实现高效、可扩展的量子网络。
相关研究成果A Magnon-photon interface based on Van der Waals Magnetic semiconductor于近日发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。
参考来源： 半导体研究所
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