二維磁鐵中觀察到磁振子自旋

美國多家大學(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，從簡單的冰箱貼到計算機中的內(nèi)存磁盤、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，進而影響該“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(dāng)“量子互連”，將量子比特“粘合”到強大的計算機中。

如果沒有龐大的實驗室設(shè)備，磁振子通常很難被發(fā)現(xiàn)。然而，使用合適的材料可使觀測磁振子變得更簡單：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(dāng)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)有助于建立量子信息網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)需要從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，比實驗的5 ns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 μm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)備將來有望成為當(dāng)今電子產(chǎn)品的更有效替代。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。