二维磁铁中观察到磁振子自旋

磁振子和激子之间的配对将使研究人员能够看到自旋方向，这是量子应用的重要考虑因素。图片来源：Chung-Jui Xu

据最新一期《自然》杂志报道，美国哥伦比亚大学、华盛顿大学、纽约大学和橡树岭国家实验室的合作研究表明，磁性半导体溴化铬中的磁振子可与激子配对，激子准粒子会发光，从而为研究人员提供了一种 “看到”旋转准粒子的途径。

所有磁铁，从挂在冰箱上的简单纪念品到为计算机提供内存的磁盘，再到实验室研究使用的强磁体，都包含称为磁振子的旋转准粒子。一个磁振子旋转的方向可影响其邻居的方向，这会影响其邻居的自旋，依此类推产生自旋波。信息可通过自旋波比电更有效地传输，并且磁振子可充当“量子互连”，将量子比特“粘合”到强大的计算机中。

磁振子具有巨大的潜力，但如果没有庞大的实验室设备，它们通常很难被发现。然而，使用合适的材料可使磁振子的观测变得更加简单：一种称为溴化铬的磁性半导体，可剥离成原子薄的二维层。

当用光扰动磁振子时，研究人员观察到激子在近红外范围内的振荡，这几乎是肉眼可见的。这是研究人员第一次看到具有简单光学效应的磁振子。

研究人员称，这一结果可被视作量子转导，也就是将一个“量子”能量转换为另一个能量。激子的能量比磁振子大4个数量级。因为它们如此紧密地配对在一起，研究人员可很容易地观察到磁振子的微小变化。这种转导有朝一日或使研究人员能够建立量子信息网络，该网络可从通常需要彼此相距几毫米的基于自旋的量子比特中获取信息，并将其转换为光，这是一种可通过光纤将信息传输到数百公里外的能量形式。

研究表明，相干时间（振荡可以持续多长时间）也很显著。持续时间比实验的5纳秒限制要长得多。即使溴化铬器件仅由两个原子薄层制成，这种现象也可传播超过7微米并持续存在，从而提高了构建纳米级自旋电子器件的可能性。这些设备有朝一日或成为当今电子产品的更有效替代品。与电流中的电子在行进时遇到阻力不同，实际上没有粒子在自旋波中移动。

研究人员计划从溴化铬的量子信息潜力出发，探索其他二维材料的量子特性。通过像纸一样堆叠这些材料，创造出各种新的物理现象。例如，如果在性质与溴化铬略有不同的其他磁性半导体中可找到磁激子耦合，它们可能会发出颜色更广泛的光。