科学家们在二维磁体中看到自旋

诸平

The pairing between magnons and excitons will allow researchers to see spin directions, an important consideration for several quantum applications. Credit: Chung-Jui Yu

据美国哥伦比亚大学（Columbia University）艾伦·内夫（Ellen Neff）2022年9月7日（当地时间）报道，科学家们在二维磁体中看到自旋（Scientists see spins in a 2D magnet）。

所有的磁体，从挂在冰箱上的简单纪念品到提供计算机内存的磁盘，再到研究实验室使用的强大磁体，都包含一种叫做磁振子（magnons）的自旋准粒子（spinning quasiparticles）。一个磁振子的自旋方向可以影响其相邻磁振子的自旋方向，从而影响其相邻磁振子的自旋，依此类推，产生所谓的自旋波（spin waves）。信息可以通过自旋波比通过电更有效地传输，磁振子可以充当“量子互连（quantum interconnects）”，将量子比特“粘合”到功能强大的计算机中。

磁振子具有巨大的潜力，但如果没有笨重的实验室设备，磁振子通常很难被检测到。哥伦比亚大学研究员朱晓阳（Xiaoyang Zhu音译）表示，这样的装置可以用来进行实验，但不能用来开发磁振子设备（magnonic devices）和所谓的自旋电子学（spintronics）。然而，使用合适的材料，可以使观察磁振子变得更简单：一种称为硫化溴化铬（CrSBr）的磁性半导体，可以剥离成原子薄的2D层，由哥伦比亚大学化学系教授泽维尔·罗伊（Xavier Roy）的实验室合成。相关研究结果于2022年9月7日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Youn Jue Bae, Jue Wang, Allen Scheie, Junwen Xu, Daniel G. Chica, Geoffrey M. Diederich, John Cenker, Michael E. Ziebel, Yusong Bai, Haowen Ren, Cory R. Dean, Milan Delor, Xiaodong Xu, Xavier Roy, Andrew D. Kent, Xiaoyang Zhu. Exciton-coupled coherent magnons in a 2D semiconductor. Nature, 2022, 609: 282–286. DOI: 10.1038/s41586-022-05024-1. Published: 07 September 2022. https://www.nature.com/articles/s41586-022-05024-1

在《自然》杂志的这篇新论文中，朱晓阳和美国哥伦比亚大学、华盛顿大学（University of Washington）、纽约大学（New York University）和橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的合作者表明，CrSBr中的磁振子可以与另一种被称为激子（exciton）的准粒子（quasiparticle）配对，激子可以发光，这为研究人员提供了一种“看到”自旋准粒子的方法。

当他们用光扰动磁振子时，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：“这是我们第一次用简单的光学效应看到磁振子。”

朱晓阳的实验室博士后、上述论文的第一作者Youn Jun（Eunice）Bae说，这一结果可能被视为量子转导（quantum transduction），或一个“量子”能量转换为另一个。激子的能量比磁振子的能量大四个数量级；Youn Jun（Eunice）Bae解释说：“现在，由于它们配对如此强烈，我们可以很容易地观察到磁振子的微小变化。”这种转换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中获取信息，这些量子比特通常需要彼此相距不超过几毫米，然后将其转换为光，这种能量形式可以通过光纤传输信息达数百英里。

朱晓阳说，振荡持续的相干时间也很显著，比实验的5纳秒（5 ns）极限要长得多。这种现象可以传播超过7 μm，即使CrSBr器件只有两个原子薄层，这种现象也能持续存在，这提高了构建纳米级自旋电子器件的可能性。有朝一日，这些设备可能会成为当今电子产品更有效的替代品。不像电流中的电子在运动时遇到电阻，粒子实际上并没有以自旋波( spin wave)的形式运动。

从这里开始，研究人员计划探索CrSBr的量子信息潜力，以及其他候选材料。朱晓阳说：“在MRSEC和EFRC中，我们正在探索几种2D材料的量子特性，这些材料可以像纸一样堆叠起来，创造各种新的物理现象。”

例如，如果磁振子-激子耦合（magnon-exciton coupling）可以在其他种类的磁性半导体（magnetic semiconductors）中发现，这些半导体的性质与CrSBr略有不同，那么它们可能会发出更宽颜色范围的光。

“我们正在组装工具箱，以构建具有可定制属性的新设备，”朱晓阳补充道。

本研究的光谱和成像工作由材料科学与工程研究中心(Materials Science and Engineering Research Center简称MRSEC)通过美国国家自然科学基金会（NSF）拨款（Materials Science and Engineering Research Center (MRSEC) through NSF grant DMR-2011738），海军研究办公室（Office of Naval Research）拨款为范尼瓦·布什（Vannevar Bush）教员奖学金（Vannevar Bush Faculty Fellowship）的实验设备提供部分支持。CrSBr晶体的合成是可编程量子材料（Programmable Quantum Materials）的一部分，该能源前沿研究中心（Energy Frontier Research Center）由美国能源部(Department of Energy简称DOE)、科学办公室、基础能源科学 (Basic Energy Sciences简称BES)资助，获得DE-SC0019443奖{ US Department of Energy (DOE), Office of Science, Basic Energy Sciences (BES), under award DE-SC0019443}。磁共振波谱研究工作由美国空军科学研究办公室资助（Air Force Office of Scientific Research under grant FA9550-19-1-0307），图2c中的磁场相关实验由美国能源部、基础能源科学、材料科学与工程部{ Department of Energy, Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division (DE-SC0012509)}支持。振动样品磁强测量是通过对DMR-1751949的补充从NSF的财政支持（NSF through a supplement to award DMR-1751949）下购买的。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

独特的量子材料可以实现超强大、紧凑的计算机（Unique quantum material could enable ultra-powerful, compact computers）

Abstract

The recent discoveries of two-dimensional (2D) magnets^1,2,3,4,5,6 and their stacking into van der Waals structures^7,8,9,10,11 have expanded the horizon of 2D phenomena. One exciting application is to exploit coherent magnons¹² as energy-efficient information carriers in spintronics and magnonics^13,14 or as interconnects in hybrid quantum systems^15,16,17. A particular opportunity arises when a 2D magnet is also a semiconductor, as reported recently for CrSBr (refs. ^18,19,20) and NiPS₃ (refs. ^21,22,23) that feature both tightly bound excitons with a large oscillator strength and potentially long-lived coherent magnons owing to the bandgap and spatial confinement. Although magnons and excitons are energetically mismatched by orders of magnitude, their coupling can lead to efficient optical access to spin information. Here we report strong magnon–exciton coupling in the 2D A-type antiferromagnetic semiconductor CrSBr. Coherent magnons launched by above-gap excitation modulate the exciton energies. Time-resolved exciton sensing reveals magnons that can coherently travel beyond seven micrometres, with a coherence time of above five nanoseconds. We observe these exciton-coupled coherent magnons in both even and odd numbers of layers, with and without compensated magnetization, down to the bilayer limit. Given the versatility of van der Waals heterostructures, these coherent 2D magnons may be a basis for optically accessible spintronics, magnonics and quantum interconnects.