磁性半导体在三维材料中保留二维量子特性

美国宾夕法尼亚州立大学和哥伦比亚大学领导的国际团队在新一期《自然·材料》杂志上发表了一项重要研究成果，展示了磁性半导体在三维材料中保持特殊的二维量子特性。这一突破为现实世界中的光学系统和高级计算应用提供了新的可能性。

尽管二维材料如石墨烯展示了广泛的功能，并具有革命性的潜力，但维持其在二维极限之外的优异性能仍然是一个巨大的挑战。这类材料通常只有一个原子厚的晶体层，可用于柔性电子、储能和量子技术等多个领域。因此，实现、理解和控制纳米级限制，对于量子物理的研究和未来量子技术的发展至关重要。

团队专注于研究半导体材料中的激子（一种携带能量而不带电荷的准粒子）。然而，传统块体材料中的激子结合能较小，导致它们不够稳定且难以观察到。激子在二维单层中表现最为稳定并展现出优异性能。传统的二维材料制备方法涉及手工剥离和堆叠每一层，不仅劳动强度大，而且效率低下。

为了克服这些挑战，团队转向了另一种物理学现象——磁性。他们特别关注了一种称为铬硫化溴化物（CrSBr）的层状磁性半导体。在室温下，CrSBr作为普通半导体工作。将其冷却至约131.5开尔文时，CrSBr转变为反铁磁系统，其中各层以规则、重复的方式排列其磁矩（自旋），从而有效地抵消磁矩并使材料对外部磁场不敏感。

这种反铁磁排序确保每一层交替其磁排列，使得激子倾向于停留在具有相同自旋方向的层中，而不是围绕具有相反自旋的相邻层。通过这种方式，团队无需手动剥离即可创建单层原子材料，同时仍可保留清晰的界面。这意味着可以在块体材料中实现与二维材料相同的受限激子行为。

团队利用光谱技术、理论建模和计算确定，无论系统有多少层，这种磁约束都能牢固地将激子限制在其共享相同自旋方向的层中。这一发现得到了德国另一研究团队的独立验证，两个团队使用不同晶体材料在各自实验室中获得了高度一致的结果。

通过这种方法，人们可以更高效地开发出具有卓越性能的新型材料，从而推动下一代高性能计算和光学设备的发展。