【全球熱聞】二維磁鐵中觀察到磁振子自旋

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磁振子和激子之間的配對將使研究人員能夠看到自旋方向，這是量子應(yīng)用的重要考慮因素。圖片來源：Chung-Jui Xu

據(jù)最新一期《自然》雜志報道，美國哥倫比亞大學(xué)、華盛頓大學(xué)、紐約大學(xué)和橡樹嶺國家實驗室的合作研究表明，磁性半導(dǎo)體溴化鉻中的磁振子可與激子配對，激子準粒子會發(fā)光，從而為研究人員提供了一種 “看到”旋轉(zhuǎn)準粒子的途徑。

所有磁鐵，從掛在冰箱上的簡單紀念品到為計算機提供內(nèi)存的磁盤，再到實驗室研究使用的強磁體，都包含稱為磁振子的旋轉(zhuǎn)準粒子。一個磁振子旋轉(zhuǎn)的方向可影響其鄰居的方向，這會影響其鄰居的自旋，依此類推產(chǎn)生自旋波。信息可通過自旋波比電更有效地傳輸，并且磁振子可充當“量子互連”，將量子比特“粘合”到強大的計算機中。

磁振子具有巨大的潛力，但如果沒有龐大的實驗室設(shè)備，它們通常很難被發(fā)現(xiàn)。然而，使用合適的材料可使磁振子的觀測變得更加簡單：一種稱為溴化鉻的磁性半導(dǎo)體，可剝離成原子薄的二維層。

當用光擾動磁振子時，研究人員觀察到激子在近紅外范圍內(nèi)的振蕩，這幾乎是肉眼可見的。這是研究人員第一次看到具有簡單光學(xué)效應(yīng)的磁振子。

研究人員稱，這一結(jié)果可被視作量子轉(zhuǎn)導(dǎo)，也就是將一個“量子”能量轉(zhuǎn)換為另一個能量。激子的能量比磁振子大4個數(shù)量級。因為它們?nèi)绱司o密地配對在一起，研究人員可很容易地觀察到磁振子的微小變化。這種轉(zhuǎn)導(dǎo)有朝一日或使研究人員能夠建立量子信息網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可從通常需要彼此相距幾毫米的基于自旋的量子比特中獲取信息，并將其轉(zhuǎn)換為光，這是一種可通過光纖將信息傳輸?shù)綌?shù)百公里外的能量形式。

研究表明，相干時間（振蕩可以持續(xù)多長時間）也很顯著。持續(xù)時間比實驗的5納秒限制要長得多。即使溴化鉻器件僅由兩個原子薄層制成，這種現(xiàn)象也可傳播超過7微米并持續(xù)存在，從而提高了構(gòu)建納米級自旋電子器件的可能性。這些設(shè)備有朝一日或成為當今電子產(chǎn)品的更有效替代品。與電流中的電子在行進時遇到阻力不同，實際上沒有粒子在自旋波中移動。

研究人員計劃從溴化鉻的量子信息潛力出發(fā)，探索其他二維材料的量子特性。通過像紙一樣堆疊這些材料，創(chuàng)造出各種新的物理現(xiàn)象。例如，如果在性質(zhì)與溴化鉻略有不同的其他磁性半導(dǎo)體中可找到磁激子耦合，它們可能會發(fā)出顏色更廣泛的光。

標簽： 研究人員 磁性半導(dǎo)體 有朝一日